CN108266234B - 一种工业汽轮机高效转鼓级静叶片 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种工业汽轮机高效转鼓级静叶片，它采用三合一整体形式，在叶身的一端设有与叶身一体成型的叶根，在叶身的另一端设有与叶身一体成型的围带，叶身部分为等截面叶型。所述叶身的叶型由5段曲线组成，分别为ab段、bc段、cd段、de段、ea段，5段曲线交接处切线斜率相等，本发明的高效叶片效率优于常规叶片，并且具有很好的变工况特性，其加工成本仅为一般的离散点叶型常规叶片加工成本的1/4～1/3。

Description

一种工业汽轮机高效转鼓级静叶片
技术领域
本发明属于叶轮机械领域，涉及一种工业汽轮机高效转鼓级静叶片。
背景技术
工业汽轮机是功能转换的重要设备，广泛应用于石油、化工、冶金、能源、核电、舰船等各个领域。工业汽轮机结构复杂、设计制造难度高，属于高端装备制造业。
对于工业汽轮机而言，由于其主要作为风机、压缩机和泵等耗能设备的驱动机，被驱动机的负荷特性决定了工业汽轮机变工况的特点，其工况变化范围特别广。因而工业汽轮机叶片最重要也最明显的特点就是需要有非常好的变工况性能，在不同的工况下叶片应具有较高的效率。以ABB公司为例，其叶片从1900年代号为200的叶片经过5代的升级进化，演变到1980年代号为8000的叶片，效率得以逐步提高；以GE公司为例，其叶片也由1940年的传统叶片经历5次进化演变，达到了1980年的超级叶片(super profile)。随着计算机技术和计算流体动力学的发展，汽轮机通流叶片的全三维流场优化设计己经成为可能。目前使用的汽轮机叶片型线为早年开发的常规型线，其气动性能有较大提升空间。
叶片作为汽轮机的核心部件，不仅数量多，形状复杂，而且加工要求高，其加工工作量非常大，约占汽轮机总加工量的1/4～1/3。叶片的加工工艺性很大程度上决定了汽轮机的成本高低。目前多数厂家新开发的汽轮机叶片叶型均为离散点，需要采用数控加工方法加工，增加了叶片的加工成本。
为提高工业汽轮机的热经济性，达到节能减排的目的，同时降低叶片的加工成本，亟需发明一种性能优良，加工工艺性好的工业汽轮机叶片。
发明内容
针对目前工业汽轮机转鼓级静叶效率有较大提升空间的现状，本发明的目的是提供一种高效工业汽轮机转鼓级静叶及结构，该叶片及结构的气动性能、变工况性能、强度振动性能比目前使用的工业汽轮机转鼓级静叶片更高，而且其加工工艺性很好。
为了达到上述目的，发明了一种工业汽轮机高效转鼓级静叶片，它采用三合一整体形式，在叶身的一端设有与叶身一体成型的叶根，在叶身的另一端设有与叶身一体成型的围带。叶身部分为等截面叶型。在叶根上设有与气缸连接的卡槽。所述叶身的叶型由5段曲线组成，分别为ab段、bc段、cd段、de段、ea段，所述ab段和bc段组成压力面，且ab段为单圆弧，其半径变化范围为0.66≤R1/b≤0.81，所述bc段为高阶样条曲线，ab段/ac段≥70％，所述cd段作为叶型前缘呈椭圆，其长短轴比值范围为1.0≤aq/bq≤1.48，长轴变化范围为0.21≤aq/b≤0.26，所述de段为高阶样条曲线作为吸力面，所述ea段为单圆弧作为尾缘，其半径范围为0.008≤R2/b≤0.009，5段曲线交接处切线斜率相等。
进一步的方案为，所述的工业汽轮机高效转鼓级静叶片，叶身满足如下规律：节弦比t/b的变化规律为0.735≤t/b≤0.934，叶型最大厚度范围Cmax/b的变化范围为0.315≤Cmax/b≤0.401，入口楔角w1的变化范围为50.99°≤w1≤64.79°，出口楔角w2的变化范围为9.37°≤w2≤11.90°，尾缘弯折角δ的变化范围为25.41°≤δ≤32.28°。叶型安装角β的变化范围为27.5°≤β≤85.5°，叶片菱形角γ变化范围为10°≤γ≤40°。
更进一步的方案为，围带宽度b3/b的变化范围为0.83≤b3/b≤1.02，围带高度h3/b的变化范围为0.14≤h3/b≤0.17。
进一步的方案为，所述叶身高度H/b的变化范围为2.37≤H/b≤2.90，叶身轴向宽度S/b的变化范围为0.71≤S/b≤0.87。叶身与围带的过渡圆角R5的变化范围为0.074≤R5/b≤0.091，叶身与叶根的过渡圆角R4的变化范围为0.074≤R4/b≤0.091。
更进一步的方案为，所述叶根宽度b1/b的变化范围为0.833≤b1/b≤1.019，叶根高度h1/b的变化范围为0.794≤h1/b≤0.970，叶根卡槽宽度b2/b的变化范围为0.164≤b2/b≤0.200。
进一步的方案为，所述叶根卡槽高度h2/b的变化范围为0.458≤h2/b≤0.559，叶根卡槽圆角R3的变化范围为0.054≤R3/b≤0.065。
本发明具有以下有益效果：
本发明的工业汽轮机高效转鼓级静叶片，叶身采用全三维CFD方法结合人工神经网络方法和遗传算法进行气动性能优化得到的。本发明的高效叶型效率优于常规叶型，并且具有很好的变工况特性。在进汽角20°～135°，马赫数0.1-1.0及展弦比0.3～10的广泛范围内，其气动性能更好，变工况性能更佳、强度振动性能与常规叶片相当。图6给出了优化前后叶型损失的对比曲线。本发明的叶片叶型压力面曲线大于70％的范围为单圆弧，使叶片的压力面加工采用特制的铣刀即可一次成型，极大的提高了叶片的加工速度，降低了叶片的加工成本。据估算，本发明的高效转鼓级静叶片及结构的加工成本仅为一般的离散点叶型常规叶片加工成本的1/4～1/3。本发明的工业汽轮机高效转鼓级静叶片，安装时叶根和围带沿圆周切向装配挤紧，工作时，叶根卡槽安装在汽缸的定位槽上。同时，基于这种三合一整体形式，加快了装配进度，而且装配时节距误差小，降低了装配的反修率，缩短了装配的周期。本发明的高效转鼓叶片具有更高的效率和变工况性能，优异的叶片加工工艺性和装配性能，具有广阔的市场应用前景和竞争力。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的叶片型线示意图；
图3为本发明的叶型尺寸示意图；
图4为本发明的叶片结构尺寸示意图；
图5为本发明的叶片安装状态示意图；
图6为本发明相对常规叶片的叶型损失曲线图。
具体实施方式
下面通过实例结合附图对本发明作进一步的描述。
本实施例为某背压机第二级转鼓级组，具体参数为：背压为0.704bar，流量为12.32kg/s，总总效率为93.39％，级组前总压为5.467bar，级组前总温为309.1℃。
如图1所示，本发明的工业汽轮机高效转鼓级静叶片，它包括叶身3，叶身为等截面叶型，在叶身3的一端设有与叶身3一体成型的叶根1，在叶身3的另一端设有与叶身3一体成型的围带4，叶身3部分为等截面叶型，在叶根1上设有与汽缸连接的卡槽2，。
如图2所示，所述叶身3的叶型由5段曲线组成，分别为ab段、bc段、cd段、de段、ea段，所述ab段和bc段组成压力面，且ab段为单圆弧，其半径变化范围为0.66≤R1/b≤0.81，所述bc段为高阶样条曲线，ab段/ac段≥70％，所述cd段作为叶型前缘呈椭圆，其长短轴比值范围为1.0≤aq/bq≤1.48，长轴变化范围为0.21≤aq/b≤0.26，所述de段为高阶样条曲线作为吸力面，所述ea段为单圆弧作为尾缘，其半径范围为0.008≤R2/b≤0.009，5段曲线交接处切线斜率相等。
如图3所示，所述叶身3的节弦比t/b的变化规律为0.735≤t/b≤0.934，叶型最大厚度范围Cmax/b的变化范围为0.315≤Cmax/b≤0.401，入口楔角w1的变化范围为50.99°≤w1≤64.79°，出口楔角w2的变化范围为9.37°≤w2≤11.90°，尾缘弯折角δ的变化范围为25.41°≤δ≤32.28°。叶型安装角β的变化范围为27.5°≤β≤85.5°，叶片菱形角γ变化范围为10°≤γ≤40°。
如图4所示，所述围带4宽度b3/b的变化范围为0.83≤b3/b≤1.02，围带4高度h3/b的变化范围为0.14≤h3/b≤0.17，叶身高度H/b的变化范围为2.37≤H/b≤2.90，叶身轴向宽度S/b的变化范围为0.71≤S/b≤0.87。叶身3与围带4的过渡圆角R5的变化范围为0.074≤R5/b≤0.091，叶身3与叶根1的过渡圆角R4的变化范围为0.074≤R4/b≤0.091，叶根宽度b1/b的变化范围为0.833≤b1/b≤1.019，叶根高度h1/b的变化范围为0.794≤h1/b≤0.970，叶根卡槽宽度b2/b的变化范围为0.164≤b2/b≤0.200，叶根卡槽高度h2/b的变化范围为0.458≤h2/b≤0.559，叶根卡槽圆角R3的变化范围为0.054≤R3/b≤0.065。
如图5所示，所述叶身3、叶根1和围带2为一体成型结构，且卡槽2安装在汽缸5的定位槽上，所述叶根1沿圆周切向装配挤紧，静叶上的围带4自然围成各不固定连接的围带状，使之安装修整都极为方便，安装时叶根和围带沿圆周切向装配挤紧，工作时，叶根卡槽安装在汽缸的定位槽上。
如图6所示，在相对叶高越来越高的情况下，本发明的叶型损失比常规叶片低的多。
本实施例背压汽轮机使用本发明的高效转鼓静片以后，机组效率提高约2％，叶片加工成本相比常规高效叶片的离散叶型叶片加工成本降低70％。

Claims (4)

1.一种工业汽轮机高效转鼓级静叶片，包括叶身(3)，其特征在于，所述叶身为等截面叶型，在叶身(3)的一端设有与叶身(3)一体成型的叶根(1)，在叶身(3)的另一端设有与叶身(3)一体成型的围带(4)，叶身(3)部分为等截面叶型，在叶根(1)上设有与汽缸连接的卡槽(2)，所述叶身(3)的叶型由5段曲线组成，分别为ab段、bc段、cd段、de段、ea段，所述ab段和bc段组成压力面，且ab段为单圆弧，其半径变化范围为0.66≤R1/b≤0.81，所述bc段为高阶样条曲线，ab段/ac段≥70％，所述cd段作为叶型前缘呈椭圆，其长短轴比值范围为1.0≤aq/bq≤1.48，长轴变化范围为0.21≤aq/b≤0.26，所述de段为高阶样条曲线作为吸力面，所述ea段为单圆弧作为尾缘，其半径范围为0.008≤R2/b≤0.009，所述5段曲线交接处切线斜率相等；
所述叶身(3)满足如下规律：节弦比t/b的变化规律为0.735≤t/b≤0.934，叶型最大厚度范围Cmax/b的变化范围为0.315≤Cmax/b≤0.401，入口楔角w1的变化范围为50.99°≤w1≤64.79°，出口楔角w2的变化范围为9.37°≤w2≤11.90°，尾缘弯折角δ的变化范围为25.41°≤δ≤32.28°，叶型安装角β的变化范围为27.5°≤β≤85.5°，叶片菱形角γ变化范围为10°≤γ≤40°；
述围带(4)宽度b3/b的变化范围为0.83≤b3/b≤1.02，围带(4)高度h3/b的变化范围为0.14≤h3/b≤0.17。
2.根据权利要求1所述的一种工业汽轮机高效转鼓级静叶片，其特征在于，所述叶身(3)高度H/b的变化范围为2.37≤H/b≤2.90，所述叶身(3)轴向宽度S/b的变化范围为0.71≤S/b≤0.87，所述叶身(3)与围带(4)的过渡圆角R5的变化范围为0.074≤R5/b≤0.091，所述叶身(3)与叶根(1)的过渡圆角R4的变化范围为0.074≤R4/b≤0.091。
3.根据权利要求1所述的一种工业汽轮机高效转鼓级静叶片，其特征在于，所述叶根(1)宽度b1/b的变化范围为0.833≤b1/b≤1.019，所述叶根(1)高度h1/b的变化范围为0.794≤h1/b≤0.970。
4.根据权利要求1所述的一种工业汽轮机高效转鼓级静叶片，其特征在于，所述卡槽(2)宽度b2/b的变化范围为0.164≤b2/b≤0.200，所述卡槽(2)高度h2/b的变化范围为0.458≤h2/b≤0.559，所述卡槽(2)圆角R3的变化范围为0.054≤R3/b≤0.065。
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