CN109117552B - 一种涡轮机叶片变载荷流型设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种涡轮机叶片变载荷流型设计方法，叶片采用变截面非扭曲型线，它由若干特征截面按一定规律迭合而成；所述特征截面的轮廓型线是由内弧曲线和背弧曲线围成的封闭曲线；所述特征截面具有参数：安装角c、弦长b、节距t、喉部宽度o、相对栅距t/b；所述特征截面的迭合规律是：沿叶片高度方向自根端向顶端，各特征截面连续光滑过渡，特征截面的安装角不变，相对栅距按一定规律沿径向变化，从而改变各截面的出口几何角分布，控制流体沿叶片高度方向的分布规律，将高损失区域流体转移至高效率区域，提升叶片通流效率，进而增加整个涡轮机效率。

Description

一种涡轮机叶片变载荷流型设计方法
技术领域
本发明属于涡轮机通流技术领域，涉及一种涡轮机叶片变载荷流型设计方法。
背景技术
目前，随着国家对于节能减排要求的日益严苛，业主对于蒸汽涡轮机效率指标的关注急速增加，而作为通流设计技术中最为关键的部件，叶片性能的优劣直接决定着蒸汽涡轮机效率和能耗的高低。因此，高效叶片的开发设计和应用成为整个涡轮机通流设计技术的重点与难点，更是整个涡轮机设计工作的核心和关键。特别是对于大功率蒸汽涡轮机，即使仅仅增加1％的效率，所带来的节能效果也是极其巨大的，而由此所产生的经济效益和社会效益同样也是十分显著的。因此，长期以来，国内外各相关公司均投入大量的人力和财力致力于高效叶片的开发设计及改进。
通过研究发现，对于涡轮机叶片，在泄漏流体灌入主流的区域，泄漏流体会与主流发生掺混，恶化端部二次流的发展，形成高损失区域；而在泄漏流体抽吸主流的区域，泄漏流体的抽吸作用使得二次流作用区域减小，高损失区域减少。因此，在叶片设计过程中，可以采用减小高损失区域叶片出口几何角、增加高效区域叶片出口几何角的设计方法，即改变流体流量分布，将高损失区域流体转移至低损失区域，减少高损失区域流体所占比重，增加通流效率。
发明内容
本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种涡轮机叶片变载荷流型设计方法，其安装角度沿叶片高度方向保持不变，而相对栅距沿叶片高度方向按照特定规律变化，从而改变各截面的出口几何角分布，控制载荷和流体沿叶片高度方向的分布规律，将高损失区域流体转移至高效率区域，提升叶片通流效率，进而增加整个涡轮机效率。
本发明采用的技术方案如下：
本发明的涡轮机叶片变载荷流型设计方法，叶片采用变截面非扭曲型线，它由若干特征截面按一定规律迭合而成；所述特征截面的轮廓型线是由内弧曲线和背弧曲线围成的封闭曲线；所述特征截面具有参数：安装角c、弦长b、节距t、喉部宽度o、相对栅距t/b；所述特征截面的迭合规律是：沿叶片高度方向自根端向顶端，各特征截面连续光滑过渡，特征截面的安装角不变，相对栅距按以下规律沿径向变化：
Figure BDA0001760105440000021
Figure BDA0001760105440000022
其中，(t/b)顶为顶部截面相对栅距，(t/b)中为中部截面相对栅距，(t/b)根为根部截面相对栅距。
进一步地，所述相对栅距在叶片根部取大值，在叶片中部取中等数值，在叶片顶部取小值；在确定叶片根、中、顶三处相对栅距后，整个叶高的相对栅距变化曲线则由样条拟合得到。
进一步地，所述特征截面还具有参数：叶片出口几何角sin-1(o/t)，所述叶片出口几何角沿以下规律径向变化：
Figure BDA0001760105440000023
Figure BDA0001760105440000024
其中，sin-1(o/t)顶为顶部叶片出口几何角，sin-1(o/t)中为中部叶片出口几何角，sin-1(o/t)根为根部叶片出口几何角。
进一步地，所述叶片出口几何角在叶片根部取大值，在叶片中部取中等数值，在叶片顶部取小值；在确定叶片根、中、顶三处出口几何角后，整个叶高的出口几何角变化曲线则由样条拟合得到。
通过上述方法的设置，基于对于叶片出口几何角的改变，通常具有两种方法：一种是保持叶片各截面安装角不变，通过改变各截面的相对栅距来调整各截面位置处的出口几何角；一种则是保持各截面的相对栅距不变，直接通过改变各截面安装角来调整各截面位置处的出口几何角，本发明通过使叶片各特征截面的安装角沿叶片高度方向保持不变，而相对栅距则沿叶片高度方向按照特定的复合成型规律变化，从而改变各截面的出口几何角分布，控制载荷和流体沿叶片高度方向的分布规律，将高损失区域流体转移至高效区域，有效提升叶片通流效率，进而增加整个涡轮机效率。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明的涡轮机叶片变载荷流型设计方法简单，可操作实施性强。
2、通过本发明的涡轮机叶片变载荷流型设计方法造型的叶片的流通效率好，能够将高损失区域流体转移至高效率区域，大大的提高了涡轮机的效率。
3、通过本发明的涡轮机叶片变载荷流型设计方法造型的叶片叶片型线高阶光顺，气动性能优良，技术性能指标达到或超过现有同类产品，整体综合性能优于现有同类产品。
附图说明
图1是叶片三维示意图；
图2是叶片主视图；
图3是叶片俯视图；
图4是叶片径向截面示意图；
图5是叶片相对栅距t/b随截面高度的变化曲线图；
图6叶片出口几何角随截面高度的变化曲线图；
图中标记：1-叶片；11-顶部截面；12-中部截面；13-根部截面；
L-叶片的有效高度，即叶片的叶身部分的长度：叶身顶截面与叶身根截面之间的距离；
b-弦长：叶身截面进、出汽边的距离；
c-叶片安装角：弦长b与Y向的夹角；
t-节距：相邻叶片的圆周间距；
o-喉部宽度：叶片通道的出口宽度；
t/b-相对栅距：节距与弦长的比例；
sin-1(o/t)-叶片出口几何角。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作详细的说明。
为了使发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1至图6所示，一种涡轮机叶片变载荷流型设计方法，叶片采用变截面非扭曲型线，叶片的安装角沿径向不变，弦长、轴向宽度及截面积由根部到顶部平滑过渡，所述叶片由若干特征截面按一定规律迭合而成；所述特征截面的轮廓型线是由内弧曲线和背弧曲线围成的封闭曲线，其外形轮廓见图1、图2、图3；所述特征截面具有参数：安装角c、弦长b、节距t、喉部宽度o、相对栅距t/b；所述特征截面的迭合规律是：沿叶片高度方向自根端向顶端，各特征截面连续光滑过渡，叶片高度L的相对值由0.0(根部截面)单调增加到1.0(顶部截面)，特征截面的安装角度不变，叶片的相对栅距按以下规律沿径向变化：
Figure BDA0001760105440000041
Figure BDA0001760105440000042
其中，(t/b)顶为顶部截面相对栅距，(t/b)中为中部截面相对栅距，(t/b)根为根部截面相对栅距：相对栅距在叶片根部取大值，在叶片中部取中等数值，在叶片顶部取小值；在确定叶片根、中、顶三处安装角后，整个叶高的相对栅距变化曲线则由样条拟合得到，如图5所示。
进一步地，所述特征截面还具有参数：叶片出口几何角sin-1(o/t)，所述叶片出口几何角沿以下规律径向变化：
Figure BDA0001760105440000043
Figure BDA0001760105440000044
其中，sin-1(o/t)顶为顶部叶片出口几何角，sin-1(o/t)中为中部叶片出口几何角，sin-1(o/t)根为根部叶片出口几何角；叶片出口几何角在叶片根部取大值，在叶片中部取中等数值，在叶片顶部取小值；在确定叶片根、中、顶三处出口几何角后，整个叶高的出口几何角变化曲线则由样条拟合得到，如图6所示。
通过上述方法成型的涡轮机用叶片，叶片型线高阶光顺，气动性能优良，技术性能指标达到或超过现有同类产品，整体综合性能优于现有同类产品。同时，其结构要素不同于现有产品，各截面安装角度沿叶片高度方向保持不变，而相对栅距则沿叶片高度方向按照特定的复合成型规律变化，使得各截面出口几何角跟随变化，从而控制载荷和流体沿叶片高度方向的分布规律，将高损失区域流体转移至高效区域，有效提升叶片通流效率，进而增加整个涡轮机效率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种涡轮机叶片变载荷流型设计方法，其特征在于，叶片采用变截面非扭曲型线，它由若干特征截面按一定规律迭合而成；所述特征截面的轮廓型线是由内弧曲线和背弧曲线围成的封闭曲线；所述特征截面具有参数：安装角c、弦长b、节距t、喉部宽度o、相对栅距t/b；所述特征截面的迭合规律是：沿叶片高度方向自根端向顶端，各特征截面连续光滑过渡，特征截面的安装角不变，相对栅距按以下规律沿径向变化：
Figure FDA0001760105430000011
Figure FDA0001760105430000012
其中，(t/b)顶为顶部截面相对栅距，(t/b)中为中部截面相对栅距，(t/b)根为根部截面相对栅距。
2.根据权利要求1所述的涡轮机叶片变载荷流型设计方法，其特征在于，所述相对栅距在叶片根部取大值，在叶片中部取中等数值，在叶片顶部取小值；在确定叶片根、中、顶三处相对栅距后，整个叶高的相对栅距变化曲线则由样条拟合得到。
3.根据权利要求1或2所述的涡轮机叶片变载荷流型设计方法，其特征在于，所述特征截面还具有参数：叶片出口几何角sin-1(o/t)，所述叶片出口几何角沿以下规律径向变化：
Figure FDA0001760105430000013
Figure FDA0001760105430000014
其中，sin-1(o/t)顶为顶部叶片出口几何角，sin-1(o/t)中为中部叶片出口几何角，sin-1(o/t)根为根部叶片出口几何角。
4.根据权利要求3所述的涡轮机叶片变载荷流型设计方法，其特征在于，所述叶片出口几何角在叶片根部取大值，在叶片中部取中等数值，在叶片顶部取小值；在确定叶片根、中、顶三处出口几何角后，整个叶高的出口几何角变化曲线则由样条拟合得到。
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