CN104389642A - 一种降低透平机械调节级低频气流激振力的喷嘴隔板结构 - Google Patents

一种降低透平机械调节级低频气流激振力的喷嘴隔板结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种降低透平机械调节级低频气流激振力的喷嘴隔板结构，该喷嘴隔板结构的截面外轮廓包括同心的外圆弧与内圆弧，外圆弧与内圆弧的两端均通过对称设置的直线段与曲线段相连，其中，曲线段的一端与外圆弧相切，曲线段的另一端与直线段的一端相连，直线段的另一端与内圆弧相连。本发明通过改进喷嘴隔板结构，使得蒸汽在进汽段与非进汽段过渡区域平滑曲线进汽，可减小动叶急剧进汽与突然离开进汽弧段而导致的过大气流冲击增加叶片动应力载荷，从而降低调节级低频气流激振力。本发明原理清晰，结构简单，制造方便，适合应用于多数透平机械调节级。

Description

一种降低透平机械调节级低频气流激振力的喷嘴隔板结构
【技术领域】
本发明属于汽轮机技术领域，具体涉及一种降低透平机械调节级低频气流激振力的喷嘴隔板结构。
【背景技术】
叶片疲劳断裂损坏在汽轮机机组事故中具有很大比例，而低频激振力引起的叶片强迫振动是叶轮机械叶片失效的重要原因。部分进汽调节级内部流场相比全周进汽更加复杂，其引起的气流激振因子也比全周进汽透平级大的多，因此降低由于部分进汽引起的低频气流激振力具有重要意义，同时也是保证机组安全稳定运行的重要手段。
如图1所示，为一种常规喷嘴进汽隔板的结构示意图。其问题在于进汽段与非进汽段存在严重的气流不均匀，动叶进入进汽段与离开进汽段存在剧烈的突增与突降的气流力，因此动叶承受较大的气流激振力。
此外，如图2和图3所示，部分进汽透平机械的内部流动极其复杂，动叶进入进汽弧段会受到突然增加的气流力；离开进汽弧段时，受到急剧减小的气流力作用。部分进汽透平机械引起的低频激振力比全周进汽大的多。部分进汽透平机械引起的气流激振力是叶片疲劳失效的重要原因，减少该激振力对于透平机械的安全可靠运行具有重要意义。
【发明内容】
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种降低透平机械调节级低频气流激振力的喷嘴隔板结构，其能够减小由部分进汽引起的低频气流激振力，从而降低机组振动，提高安全性。
为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：
一种降低透平机械调节级低频气流激振力的喷嘴隔板结构，该喷嘴隔板结构的截面外轮廓包括同心的外圆弧与内圆弧，且外圆弧的半径大于内圆弧的半径，外圆弧与内圆弧的两端均通过对称设置的直线段与曲线段相连，其中，曲线段的一端与外圆弧相切，曲线段的另一端与直线段的一端相连，直线段的另一端与内圆弧相连。
本发明进一步改进在于，直线段与内圆弧交点处切线垂直，且直线段长度L满足其中，R2、R1分别为隔板外圆弧与内圆弧半径。
本发明进一步改进在于，左侧曲线段的曲线方程为y ax2 bx c，其中，坐标原点为直线段与曲线段的交点，x，y分别表示横坐标、纵坐标，横坐标的方向朝向并垂直于外圆弧与内圆弧的中心对称线，a，b，c为常系数，且a＜0，b＞0，c 0。
与现有技术相比，本发明具有如下的技术效果：
本发明一种降低透平机械调节级低频气流激振力的喷嘴隔板结构，针对调节级部分进汽过渡区域气流不均匀，有利于改善进汽段与非进汽段过渡区域的突增与突降的气流力载荷，减少气流激振力的变化幅值，为机组安全运行提供可靠的技术保障。
【附图说明】
图1为常规喷嘴隔板的结构示意图。
图2为部分进汽透平机械的示意图。
图3为部分进汽透平机械的气流力示意图。
图4为本发明一种降低透平机械调节级低频气流激振力的喷嘴隔板结构的结构示意图。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明做进一步说明。
在介绍本发明之前，有必要对常规喷嘴隔板结构以及其导致的部分进汽透平机械的低频激振力产生机理进行简单介绍，有助于对本发明的理解。
参见图1，为常规喷嘴隔板的结构示意图。非进汽段与进汽段交界面为直线，动叶所受气流力在较短时间内完成进汽段到非进汽段或者非进汽段到进汽段的转变。
参见图2，为部分进汽透平机械的示意图。动叶沿周向转动，动叶所受气流力进行着非进汽段与进汽段的状态交替。动叶在进汽段与非进汽段交替处受到低频激振力中的冲击力。
参见图3，为部分进汽透平机械的气流力示意图。动叶在非进汽段进入进汽段气流力突增，同时产生冲击力A；动叶在进汽段进入非进汽段气流力剧降，同时动叶受到冲击力B。主要原因如下：动叶处于非进汽区域时，动叶压力面和吸力面的流动滞止，气流力近似为零。当动叶即将出非进汽区域时，其吸力面首先受到来流影响，逐渐充满高速汽流，而压力面则相对而言仍是滞止流体，因此产生反方向冲击力A。动叶即将旋转进入非进汽段B处附近时，动叶压力面仍受高速来流冲击，而吸力面则是滞止流体，因此产生冲击力B。该低频的部分进气边缘导致的局部激振力远远大于经典分析的部分进气激振力。
本发明的具体原理如下：
由动量定理得：
叶栅轴向气流力：PZ G(c2z c1z) (p1 p2)A
叶栅切向气流力：Pu G(c1u c2u)
则对于过渡区域气流力可表示为：
叶栅轴向气流力：
dPZ c1dA(c2z c1z) (p1 p2)dA [c1(c2z c1z) (p1 p2)]dA
叶栅切向气流力：dPu c1dA(c1u c2u)
式中：PZ为叶栅轴向气流力，Pu为叶栅切向气流力，为叶栅气流密度，c1为叶栅通道进口气流速度，A为叶栅进汽面积，c1z与c2z分别为叶栅进口速度轴向分量与出口速度轴向分量，c1u与c2u分别为叶栅进口速度切向分量与出口速度切向分量，p1与p2分别是叶栅通道进口与出口压力。
由上式可知，通过改善进汽段与非进汽段过渡区域面积变化，则可缓解过渡区域气流力的突增与突降，从而降低部分进汽导致的低频气流激振力。
本发明一种降低透平机械调节级低频气流激振力的喷嘴隔板结构，该喷嘴隔板结构使气流在进汽段与非进汽段过渡区域平滑过渡，可有效降低低频激振力中进汽段与非进汽段过渡区域冲击部分A、B的幅值。
参见图4，根据气流力公式，本发明喷嘴隔板结构的截面外轮廓包括同心的外圆弧与内圆弧，外圆弧与内圆弧的两端均通过对称设置的直线段与曲线段相连，其中，曲线段的一端与外圆弧相切，曲线段的另一端与直线段的一端相连，直线段的另一端与内圆弧相连，通过优化过渡区气流流动状况，使得气流平滑过渡，降低过渡区低频激振力中冲击力A、B。
本发明中，直线段与内圆弧交点处切线垂直，且直线段长度L满足其中，R2、R1分别为隔板外圆弧与内圆弧半径；过渡段的曲线方程为y ax2 bx c，其中，坐标原点为直线段与曲线段的交点，x，y分别表示横坐标、纵坐标，a，b，c为常系数，且a＜0，b＞0，c 0。
本发明的设计要点是喷嘴隔板结构在非进汽段与进汽段设置有平滑过渡区域，使得气流平滑过渡，为保证部分进汽小流量工况下安全运行具有重要意义。此外，本发明设计合理，结构简单，成本低廉，适用于多数汽轮机机组中的调节级。

Claims (3)

1.一种降低透平机械调节级低频气流激振力的喷嘴隔板结构，其特征在于，该喷嘴隔板结构的截面外轮廓包括同心的外圆弧与内圆弧，且外圆弧的半径大于内圆弧的半径，外圆弧与内圆弧的两端均通过对称设置的直线段与曲线段相连，其中，曲线段的一端与外圆弧相切，曲线段的另一端与直线段的一端相连，直线段的另一端与内圆弧相连。
2.根据权利要求1所述的降低透平机械调节级低频气流激振力的喷嘴隔板结构，其特征在于，直线段与内圆弧交点处切线垂直，且直线段长度L满足其中，R2、R1分别为隔板外圆弧与内圆弧半径。
3.根据权利要求1所述的降低透平机械调节级低频气流激振力的喷嘴隔板结构，其特征在于，左侧曲线段的曲线方程为y＝ax2+bx+c，其中，坐标原点为直线段与曲线段的交点，x，y分别表示横坐标、纵坐标，横坐标的方向朝向并垂直于外圆弧与内圆弧的中心对称线，a，b，c为常系数，且a＜0，b＞0，c≥0。
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