CN110245407A - 一种汽轮机叶片扭曲规律设计方法 - Google Patents

一种汽轮机叶片扭曲规律设计方法 Download PDF

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隋永枫
魏佳明
孔建强
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Abstract

本发明公开了一种汽轮机叶片扭曲规律设计方法，具体步骤为：1.输入最终气动叶型，并设为初始叶型；2.将叶型沿径向分成n个截面，同时将每个截面上的叶型分成前缘、尾缘、压力面、吸力面4段，并对三维叶型进行离散化处理；3.对叶型施加离心力及汽流力，进行分析，得到各节点的坐标；4.计算迭代坐标差值，计算加工叶型Ak坐标(xi,j,k,yi,j,k,zi,j,k)，计算收敛，输出加工叶型Ak坐标；5.计算不收敛，在步骤4获得的加工叶型的基础上，继续对其进行大变形非线性静力分析，获得所有节点的坐标满足条件，否则继续进行迭代计算。本发明公开的一种汽轮机叶片扭曲规律设计方法，可用于所有汽轮机扭叶片的设计中，使设计更为精细化，能有效提升通流实际性能。

Description

一种汽轮机叶片扭曲规律设计方法
技术领域
本发明涉及汽轮机叶片技术领域，特别是汽轮机长扭叶片。
背景技术
汽轮机是将水蒸汽的热能转化为机械能的动力设备。其用途广泛，是现代火力发电厂的主要设备，同时也可作为拖动给水泵、压缩机等工业领域的驱动设备等。叶片，是汽轮机的核心，其型线的设计水平直接影响整机效率。气动设计给出的是最终气动叶型，而结构设计图需要的是机械加工叶型。传统设计往往将最终气动设计叶型作为结构设计和机械加工的叶型。而实际上，在离心力和汽流力的作用下叶片将产生扭转恢复和伸长，它不但使气动性能恶化，而且还会影响叶片的载荷及改变叶片截面稳态应力的分布。近年来随着汽轮机叶片的排气面积不断增加，使得叶型的这种变化对气动影响不断增大。同时，随着对叶片气动性能要求不断提高，对考虑最终气动叶型和加工叶型变化的设计提出更为严格的要求，本发明正是为了解决以上问题。
发明内容
本发明方法，克服现有技术的不足，提供一种汽轮机叶片扭曲规律设计方法，能够实现汽轮机叶片从最终气动叶型向加工叶型转换，克服传统方法将气动设计叶型作为结构设计和机械加工叶型造成性能衰减的不足。
本发明方法，提供一种汽轮机叶片扭曲规律设计方法，包括以下步骤：
步骤1)输入最终气动模型，并将其设为A0；
步骤2)将最终气动叶型沿径向分成n个截面；同时将每个截面上的叶型分成前缘、尾缘、压力面、吸力面4段。对三维叶型进行离散化处理，其中前、尾缘曲率半径小的区域节点数量为a，背弧、内弧曲率半径大的区域节点数量为b。初始叶型A0离散点坐标为(xi,j,0,yi,j,0,zi,j,0)；
步骤3)对叶型施加离心力及汽流力，并进行大变形非线性静力分析，得到变形后各节点的坐标(x’i,j,k,y’i,j,k,z’i,j,k)(其中i为1到n的变量，n为截面数，j为1到m的变量，m为截面节点数，k为迭代次数，初值k＝1)；
步骤4)计算迭代坐标差值△uk＝x’i,j,k-xi,j,0，△vk＝y’i,j,k-yi,j,0，△wk＝z’i,j,k-zi,j,0；计算加工叶型Ak坐标(xi,j,k,yi,j,k,zi,j,k)，xi,j,k＝xi,j,k-1-△uk，yi,j,k＝yi,j,k-1-△vk，zi,j,k＝zi,j,k-1-△wk；
1＜i≤n，1＜j≤m，满足时，计算收敛，输出加工叶型Ak坐标(xi,j,k,yi,j,k,zi,j,k)；
步骤5)计算不收敛，在步骤4获得的加工叶型Ak的基础上，继续对其进行大变形非线性静力分析，获得所有节点的坐标(x’i,j,k,y’i,j,k,z’i,j,k)，其中k＝k+1，满足时，计算收敛，输出加工叶型Ak坐标(xi,j,k,yi,j,k,zi,j,k)，不满足 时，进行迭代计算。
作为优选：
所述的步骤2)中沿叶高叶型截面的数目n为9～11。
所述的步骤2)中叶型前、尾缘节点分布数量在10～15范围内，背弧、内弧节点分布数量在60～70范围。
所述的步骤4)中收敛条件ε的值取0.02，收敛条件ε的取值参考目前相应机床加工精度水平。
如上所述，本发明一种汽轮机叶片扭曲规律设计方法，具有以下收益效果：
本发明采用了大变形非线性分析方法，考虑了离心力、汽流力对叶型扭曲和径向伸长的影响，提出了一种汽轮机叶片扭曲规律设计方法，实现了最终气动叶型向加工叶型的转换。
附图说明
图1为本发明设计方法流程图；
图2本发明设计方法步骤2的示意图；
图3本发明设计方法步骤3的示意图。
图4为本发明叶型迭代物理过程图；
具体实施方式
下面通过实施例结合附图对本发明进一步的描述。
本实施例为某汽轮机扭叶片，叶高247.4mm，该机组运行转速为3600rpm。
参考图1，本发明介绍了汽轮机叶片从最终气动叶型向加工叶型的转换过程，一种汽轮机叶片扭曲规律设计方法，其具体步骤为：
步骤1)、输入最终气动模型，并将其设为A0
参考图2，步骤2)、将实施例叶型沿径向分成10个截面，同时将每个截面上的型线分成前缘、尾缘、压力面、吸力面4段。对三维叶型进行离散化处理，前缘节点数量为15个，尾缘节点数量为10个，背弧节点数量为70个，内弧节点数量为60个。初始叶型A0离散点坐标为(xi,j,0,yi,j,0,zi,j,0)。
参考图3，步骤3)、对实施例叶型施加转速及汽流力，进行大变形非线性静力分析，得到变形后所有节点的坐标(x’i,j,k,y’i,j,k,z’i,j,k)(其中i为1到n的变量，n为截面数，j为1到m的变量，m为截面节点数，k为迭代次数，初值k＝1)。
步骤4)计算迭代坐标差值△uk＝x’i,j,k-xi,j,0，△vk＝y’i,j,k-yi,j,0，△wk＝z’i,j,k-zi,j,0；计算加工叶型Ak坐标(xi,j,k,yi,j,k,zi,j,k)，xi,j,k＝xi,j,k-1-△uk，yi,j,k＝yi,j,k-1-△vk，zi,j,k＝zi,j,k-1-△wk；1＜i≤n，1＜j≤m，满足时，计算收敛，输出加工叶型Ak坐标(xi,j,k,yi,j,k,zi,j,k)；更为形象的物理过程如图4所示，给出了第1次迭代过程，对A0进行大变形非线性静力分析得到A0’叶型，并获得每个节点的位移矢量将A0叶型每个节点减去位移矢量得到第一次加工叶型A1。对A1叶型进行大变形非线性静力分析，得到第一次气动叶型A1’。
步骤5)、计算不收敛，在步骤4获得的加工叶型Ak的基础上，继续对其进行大变形非线性静力分析，获得所有节点的坐标(x’i,j,k,y’i,j,k,z’i,j,k)，其中k＝k+1，满足时，计算收敛，输出加工叶型Ak坐标(xi,j,k,yi,j,k,zi,j,k)，不满足 时，进行迭代计算。
本实施例最终迭代5次，达到收敛条件，输出加工叶型Ak坐标(xi,j,k,yi,j,k,zi,j,k)。

Claims (1)

1.一种汽轮机叶片扭曲规律设计方法，其特征在于通过特定的流程和算法，采用迭代的方法实现最终气动叶型向加工叶型的转换过程。其具体步骤为：
步骤1)、输入最终气动模型，并将其设为A0；
步骤2)、将最终气动叶型沿径向分成n个截面；同时将每个截面上的叶型分成前缘、尾缘、压力面、吸力面4段，对三维叶型进行离散化处理，其中前、尾缘曲率半径小的区域节点数量为a，背弧、内弧曲率半径大的区域节点数量为b。初始叶型A0离散点坐标为(xi,j,0,yi,j,0,zi,j,0)；
步骤3)、对叶型施加离心力及汽流力，并进行大变形非线性静力分析，得到变形后各节点的坐标(x’i,j,k,y’i,j,k,z’i,j,k)，所述i为1到n的变量，n为截面数，j为1到m的变量，m为截面节点数，k为迭代次数，初值k＝1；
步骤4)、计算迭代坐标差值△uk＝x’i,j,k-xi,j,0，△vk＝y’i,j,k-yi,j,0，△wk＝z’i,j,k-zi,j,0；计算加工叶型Ak坐标(xi,j,k,yi,j,k,zi,j,k)，xi,j,k＝xi,j,k-1-△uk，yi,j,k＝yi,j,k-1-△vk，zi,j,k＝zi,j,k-1-△wk；1＜i≤n，1＜j≤m，满足时，计算收敛，输出加工叶型Ak坐标(xi,j,k,yi,j,k,zi,j,k)；
步骤5)、计算不收敛，在步骤4获得的加工叶型Ak的基础上，继续对其进行大变形非线性静力分析，获得所有节点的坐标(x’i,j,k,y’i,j,k,z’i,j,k)，其中k＝k+1，满足时，计算收敛，输出加工叶型Ak坐标(xi,j,k,yi,j,k,zi,j,k)，不满足 时，进行迭代计算。
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