CN111622808A - 一种基于现有汽轮机叶型改造的仿生叶片及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于现有汽轮机叶型改造的仿生叶片及设计方法，首先根据流场分布在叶片前缘控制线附近的背压面以正弦规律设有多个平滑凸起，确定每个平滑凸起的中心点与前缘控制线的距离为P_i，每个平滑凸起的表面采用光滑曲面，该叶片叶高为H₀、叶根处轴向弦长为C₀，叶片背压面弧长为L_S，每个平滑凸起的大小由波长W、振幅A、振幅角度D、左宽L和右宽R五个参数采用正交实验设计，获取最佳值区间；根据每个平滑凸起的起点、终点、左右宽点及定点分别确定经过凸起最高点的曲线a、经过左宽的曲线b和经过右宽的曲线c，依次扫略曲线b、a、c，即为平滑凸起。本发明可以显著提高叶片做工能力，降低研发成本，缩短研发周期。

Description

一种基于现有汽轮机叶型改造的仿生叶片及设计方法

技术领域

本发明属于大型动力设备的自主设计和制造领域，涉及一种对电力装备运行稳定性和节能减排具有直接作用的电厂汽轮机叶型改造。具体而言，涉及一种基于现有汽轮机叶型改造的仿生叶片及设计方法，用于提高汽轮机动叶片做功能力的叶型仿生改造。

背景技术

作为电厂发电的核心设备之一，汽轮机的性能对电厂的经济性和安全性有重要的影响。在国家深入调整能源结构的背景下，汽轮机所承担的调峰任务更为繁重，因此汽轮机的性能，尤其是变工况时的性能对电厂的高效灵活运行有重大的意义。在汽轮机启停和参与深度调峰过程中，不可避免将运行于小流量工况，此时，汽轮机末几级可能发生失速颤振，严重影响汽轮机的稳定性和做功能力。因此，基于现有汽轮机叶片叶型，通过仿生化改型设计，是提升汽轮机低负荷下灵活性的有效手段，同时可以提高汽轮机做功能力，更对我国大型动力设备的自主设计和制造能力具有重要的现实意义。

实际上，对透平叶片的仿生化改型设计正在成为研究热点，模仿座头鲸鱼鳍的仿生波浪前缘叶型正逐步应用于潮汐涡轮、船舶甚或飞机机翼等领域，并具有良好的应用效果。Fish与Battle首先绘制了座头鲸鳍肢横截面，发现其截面与NACA634-021颇为相似，随后开始以座头鲸鱼鳍翼型为基础的波浪前缘叶型二维研究工作。接着，基于叶高方向周期性边界假设，Fish与Watts对波浪前缘翼型进行了数值模拟，发现其在大攻角条件下具有显著的增升减阻效果；A.Asghar等将波浪前缘翼型应用到低压透平叶片中，并且通过数值模拟及实验方法进行了研究，发现波浪前缘能够延缓叶片吸力面上气流分离的发生。Bouchard D等利用实验和数值方法研究了变冲角条件下仿生波浪前缘超音速透平叶片的性能表现，发现其有利于控制正攻角条件下的流动损失。上述研究均表明，位于前缘的凸起实际上在优化各类叶片时承担了涡流发生器的作用。另外，座头鲸头部的鼓包状凸起结构对降低流动阻力有较好的效果，能够有效降低流动阻力，考虑到汽轮机长叶片级中的流场特性，采用偏向背压面的仿生化凸起结构在汽轮机原叶型的基础上进行改进。这类改型具有对原叶型改进较小、便于设计与制造等优点。但是目前尚未有将这种结构应用于汽轮机叶片的仿生优化设计。

发明内容

针对上述背景现状，本发明的目的是基于某核电低压末级动叶叶型，应用仿生学原理，提供一种对现有汽轮机叶型进行仿生改进的方法，设计一种仿生叶型，即通过降低叶片背压面的整体压力，达到提升汽轮机在小流量工况下的做功能力的目的。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于现有汽轮机叶型改造的仿生叶片，其特征在于：在叶片前缘控制线附近的背压面以正弦规律设有多个平滑凸起，每个平滑凸起的中心点与前缘控制线的距离为P_i，每个平滑凸起的表面采用光滑曲面，该叶片叶高为H₀、叶根处轴向弦长为C₀，叶片背压面弧长为L_S，其中，所述多个平滑凸起分布于于自叶顶往下3.5％H₀至35.5％H₀的叶高段位置，平滑凸起的中心点与前缘控制线的距离为P_i满足8％L_S≤P_i≤22％L_S，每个平滑凸起的大小由波长W、振幅A、左宽L和右宽R这四个因素决定，平滑凸起的表面采用光滑曲面。

作为改进，所述背压面的平滑凸起个数i满足4≤i≤12，左宽L满足0.3％L_S≤L≤1.9％L_S，右宽R满足0.3％L_S≤R≤4％L_S。

作为改进，所述振幅A满足0.7％C₀≤A≤5.0％C₀，振幅角度D满足-60°≤D≤40°。

一种上述基于现有汽轮机叶型改造的仿生叶片的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、凸起位置确定，凸起位置包含两个方向的参数，即凸起分布的叶高段和凸起往尾缘的位移量，对于叶高段，根据弯扭长叶片的型线变化情况，发现在60％H₀以上的部分叶型趋于扁平而非弯月型，这使得对应的流场更适合背压面突起，因为对于扁平型的叶型轮廓，工质经由一列凸起被涡旋抬离叶片壁面后能更有效地保持分离状态，因此选择在叶片上段布置背压面凸起；

对于往尾缘的位移量，需要考察的是在何处能将凸起的涡流发生器的作用最大化，在待优化工况下，由于偏离进汽最佳速度比，动叶进口工质将部分打在背压面靠近前缘的区域，而随着流动继续往后再回归主流通道，此过程导致了背压面压力在叶片上段出现一条径向的细窄的低压区，工质在这里有自然的抬离壁面的流动趋势，最终，通过仿真计算以此工况下的背压面压力分布为基准，确定凸起的分布位置；

步骤2、确定了平滑凸起的位置后，设计平滑凸起形状参数，每个平滑凸起的大小由波长W、振幅A、振幅角度D、左宽L和右宽R五个参数采用正交实验设计，获取最佳值区间；

步骤3、所述平滑凸起的确定方法如下：

沿着叶片的长度方向，平滑凸起的两端分别为起点和终点，确定振幅A后，即确定平滑凸起最高点，连接起点、凸起最高点和终点，得到平滑曲线a，连接起点、左宽点和终点，得到平滑曲线b，连接起点、右宽点和终点，得到平滑曲线c，定义一个横截面沿着叶片长度方向，以平滑曲线a、平滑曲线b和平滑曲线c为约束线扫描而过，得到一个凸起，即为平滑凸起。

本发明的有益效果是：

本发明在现有的汽轮机叶型的基础上，基于仿生学的思想，借鉴座头鲸头部的鼓包状凸起结构，通过对叶片背压面进行仿生化设计，从而达到降低流动阻力、提高做功能力的目的。由于无需对现有的叶型进行大幅度调整，具有研发周期短、成本低、与原叶型安全特性相似等优势。模拟计算结果显示，相对原叶型，改进叶型在小流量工况下能够优化背压面的压力分布，从而提高叶片的做功能力。

附图说明

图1是本发明汽轮机仿生叶型结构示意图。

图2是本发明汽轮机仿生叶型各凸起最高点叶高截面图，其中图2(a)为从叶顶起第一个平滑凸起处的截面图，2(b)为从叶顶起第二个平滑凸起处的截面图，2(c)为从叶顶起第三个平滑凸起处的截面图，2(d)为从叶顶起第四个平滑凸起处的截面图，2(e)为从叶顶起第五个平滑凸起处的截面图，2(f)为从叶顶起第六个平滑凸起处的截面图。

图3是本发明汽轮机仿生叶型上仿生凸起结构及尺寸注释示意图，其中图3(a)为标注叶高、弦长、凸起波长及凸起位置的侧视图；图3(b)标注凸起左宽及右宽俯视局部示意图；图3(c)是图3(b)中截面X的叶型轮廓图，标注了凸起振幅和振幅角度；图3(d)示意了凸起的正弦分布形态(侧视图)。

图4是本发明具体实施例1中原叶型与仿生叶型在叶顶段背压面的压力对比云图，其中图4(a)为实施例1中原叶型在叶顶压力云图；图4(b)为实施例1中仿生叶型在叶顶压力云图。

图5是本发明具体实施例1优化过程中方案对比的Q准则涡量图和背压面压力云图，其中图5(a)为实施例1优化过程中原叶型的Q准则涡量图(左)和背压面压力云图(右)；图5(b)为实施例1优化过程中仿生叶型的Q准则涡量图(右)和背压面压力云图(左)。

图6是本发明具体实施例1中原叶型与仿生叶型背压面流场示意图，其中图6(a)为原叶型背压面流场示意图，图6(b)为仿生叶型背压面流场示意图。

图7是本发明具体实施例1中原叶型与仿生叶型具体叶高平面处流场示意图，其中图7(a)为原叶型叶高平面处流场示意图，图7(a)为仿生叶型叶高平面处流场示意图。

1-尾缘控制线，2-前缘控制线，3-平滑突起，4-叶片背压面，5-叶片压力面。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

公开了一种仿生化的汽轮机叶型，将通过以下实施例，结合附图，对本发明进行进一步具体的说明。

实施例1：

本具体提供一种提升做功能力的汽轮机仿生叶型，此叶型由6个背压面凸起组成。

如图1和图2所示，图1为叶片的局部结构示意图，示意图中，在叶根处轴向弦长为C₀的汽轮机叶型的背压面上布置若干个平滑凸起，凸起以近似正弦规律分布于64.5％H₀至96.5％H₀，振幅为A＝3.2％C₀，凸起结构距离前缘控制线的距离自叶顶往下分别为8％L_S、11％L_S、14％L_S、17％L_S、20％L_S、22％L_S，L_S为相应平滑凸起处的叶片背压面弧长，每个平滑凸起，H₀为该叶片叶高，叶片背压面弧长在叶片长度方向随着叶片形状变化而变化，图2所示为各凸起振幅最高点处的叶高截面图。这是根据50％相对质量流量工况下原型动叶的背压面压力分布设置的凸起位置，左宽与右宽分别为L＝0.72％L_S、R＝0.53％L_S，凸起表面为光滑曲面，凸起结构与背压面构成新的控制线。具体凸起结构及参数如图3。

在确定本构型过程中，首先定义凸起的成型方法。为平滑过渡，每个凸起由三条平滑线扫略而成——左宽曲线b、振幅曲线a、右宽曲线c控制线。在具体实例中，平滑线可由上述各参数依次确定，在确定P_i和W之后，即确定了各个背压面凸起在叶片上的起止位置。近似正弦波的最高点即在位置控制点的上方，连接凸起起点，振幅最高点及凸起终点得到平滑曲线a。连接凸起起点，左最宽点及凸起终点即得到平滑曲线b，连接凸起起点，右最宽点及凸起终点即得到平滑曲线c。用截面或者曲面依次扫略曲线b、a、c(即以平滑曲线a、平滑曲线b和平滑曲线c为约束线扫描而过)，即得到一个背压面平滑凸起，即确定了平滑凸起的形状。其次，对于凸起参数的确定，我们通过流场分析和模拟试验来逐步确定凸起的各参数。凸起位置是需最先确定的，其包含两个方向的参数，即凸起分布的叶高段(％H₀)和凸起往尾缘的位移量P_i(％L_S)。对于叶高段，一方面考察此弯扭长叶片的型线变化情况，发现在约60％H₀以上的部分叶型趋于扁平而非弯月型，这使得对应的流场更适合背压面突起，因为对于扁平型的叶型轮廓，工质经由一列凸起被涡旋抬离叶片壁面后能更有效地保持分离状态。另一方面，同时对全叶高排布凸起、中上段排布凸起与上段排布凸起。它们与原叶型在50％相对质量流量工况下的轴向力矩差分别是，-5.12N m^-1、1.02N m^-1、12.08N m^-1。与叶型和流场分析结果一致，故选择在叶片上段布置背压面凸起。对于往尾缘的位移量，需要考察的是在何处能将凸起的涡流发生器的作用最大化，在待优化工况下，由于偏离进汽最佳速度比，动叶进口工质将部分打在背压面靠近前缘的区域，而随着流动继续往后再回归主流通道。此过程导致了背压面压力在叶片上段出现一条径向的细窄的低压区，工质在这里有自然的抬离壁面的流动趋势。最终，以此工况下的背压面压力分布为基准(见图4)，确定凸起的分布位置如上述。对所剩的五个参数采用正交设计来确定其最佳值落在的区间，五个参数分别为振幅A、振幅角度D、波长(个数)W(i)、左宽L、右宽R，做正交设计表如下：

表1为平滑凸起的五因素四水平正交设计表

A/％C0	W(i)/个	L％LS	R％LS	D/°	Torque
						0.7	4	2	2	-60	-23.42
0.7	6	3	5	-40	-16.07
						0.7	8	4	8	0	-23.68
0.7	10	5	11	40	-23.09
						1.4	4	3	8	40	-19.75
1.4	6	2	11	0	-19.88
						1.4	8	5	2	-40	-22.26
1.4	10	4	5	-60	-17.54
						2.1	4	4	11	-40	-19.27
2.1	6	5	8	-60	-21.7
						2.1	8	2	5	40	-14.22
2.1	10	3	2	0	-11.32
						2.8	4	5	5	0	-9.59
2.8	6	4	2	40	-10.12
						2.8	8	3	11	-60	-23.06
2.8	10	2	8	-40	-16.29

采用极值分析法，将每个参数水平对应的平均值整理在一起，得下表：

表2为每个参数水平对应的平均值

从上表可以得出，L、R、D的变化呈单峰函数，故将在峰值水平附近做详细优化设计。凸起个数方面，6个与10个的效果相近，对于凸起列来说个数越少相邻凸起间产生的涡旋就越大，但同时凸起后的作用区就越不平均(见图5)。对个数偏多或偏少是一个取舍问题，这里6或10都可作为两相取舍后较优的结果。凸起振幅高度方面，轴向力矩在随着A的变化仍不断上升，故在详细优化中要继续增加A的值。但同时需注意到振幅越高，将牺牲额定工况下叶片的做功能力，因为高振幅会显著影响到主流流道，在详细优化中引入力矩正负值作为考察A的效果参数。

其中，Tor:轴向力矩；t：仿生叶型；o：原始叶型；Gm：质量流量

详细优化中使用控制变量法，每次仅在小范围内变化一个凸起参数寻求最佳水平。最终得到上述的各参数取值。

将本发明汽轮机仿生叶型在电站汽轮机在部分负荷下运行时，汽轮机叶片表面易产生流动分离现象，仿生背压面凸起可作为涡发生器，在背压面形成流向涡，降低原叶型背压面压力对做功能力的负面作用，减小流动阻力，从而起到提升叶片做功能力的作用。

图4和图5分别为某型核电低压末级动叶片的原叶型和仿生叶型在50％相对质量流量工况下背压面流线图和75.8％叶高平面的流线图，通过这两幅图对仿生学叶型在小流量工况下对流场改变的作用机理进行说明。从图4可以看到，在此工况下，叶片背压面由于凸起排的作用，在前缘附近产生了一列的流向涡，这些涡有效地使流体抬离背压面，从而降低了背压面的压力。而同时由于凸起排留给了工质通流间隙，故而不会对流道产生过度挤压。图5中，由于背压面仿生化凸起结构的存在，流线与原叶型的相比有较大的变化，由于凸起结构的曲率较大，流体在流经凸起后无法附着于叶片表面，在凸起下游形成流向涡，将主流流体抬离背压面表面，减少了流体对背压面的冲击作用，从而降低背压面的整体压力，具体压力云图如图6所示。达到增大力矩、提高做功能力的效果——轴向力矩从-26.18N m^-1提高到了2.13N m^-1。由叶高截面流线图7可看到，在叶片的背压面，凸起结构可以使流体更早地被抬离叶片表面，从而达到降低背压面所受压力，进而提升轴向力矩的效果。

实施例2：

在叶根处轴向弦长为C₀的汽轮机叶型的背压面上布置6个平滑凸起，凸起以近似正弦规律分布，振幅为2.9％C₀，凸起结构距离前缘控制线的距离自叶顶往下分别为8％L_S、11％L_S、14％L_S、17％L_S、20％L_S、22％L_S，左宽与右宽分别为L＝0.72％L_S、R＝0.90％L_S，凸起表面为光滑曲面，凸起结构与背压面构成新的控制线。

实施例3：

在叶根处轴向弦长为C₀的汽轮机叶型的背压面上布置若干个平滑凸起，凸起以近似正弦规律分布，波长为7％H₀，振幅为2.3％C₀，第一个凸起结构距离前缘控制线的距离为8％L_S，最后一个凸起结构距离前缘控制线的距离为18％L_S，左宽1.15％L_S，右宽3.45％L_S，凸起表面为光滑曲面，凸起结构与背压面构成新的控制线。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (4)

1.一种基于现有汽轮机叶型改造的仿生叶片，其特征在于：在叶片前缘控制线附近的背压面以正弦规律设有多个平滑凸起，每个平滑凸起的中心点与前缘控制线的距离为P_i，每个平滑凸起的表面采用光滑曲面，该叶片叶高为H₀、叶根处轴向弦长为C₀，叶片背压面弧长为L_S，其中，所述多个平滑凸起分布于于自叶顶往下3.5％H₀至35.5％H₀的叶高段位置，平滑凸起的中心点与前缘控制线的距离为P_i满足8％L_S≤P_i≤22％L_S，每个平滑凸起的大小由波长W、振幅A、左宽L和右宽R这四个因素决定，平滑凸起的表面采用光滑曲面。

2.如权利要求1所述基于现有汽轮机叶型改造的仿生叶片，其特征在于：所述背压面的平滑凸起个数i满足4≤i≤12，左宽L满足0.3％L_S≤L≤1.9％L_S，右宽R满足0.3％L_S≤R≤4％L_S。

3.如权利要求2所述基于现有汽轮机叶型改造的仿生叶片，其特征在于：所述振幅A满足0.7％C₀≤A≤5.0％C₀，振幅角度D满足-60°≤D≤40°。

4.一种权利要求1所述基于现有汽轮机叶型改造的仿生叶片的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、凸起位置确定，凸起位置包含两个方向的参数，即凸起分布的叶高段和凸起往尾缘的位移量，对于叶高段，根据弯扭长叶片的型线变化情况，发现在60％H₀以上的部分叶型趋于扁平而非弯月型，这使得对应的流场更适合背压面突起，因为对于扁平型的叶型轮廓，工质经由一列凸起被涡旋抬离叶片壁面后能更有效地保持分离状态，因此选择在叶片上段布置背压面凸起；

对于往尾缘的位移量，需要考察的是在何处能将凸起的涡流发生器的作用最大化，在待优化工况下，由于偏离进汽最佳速度比，动叶进口工质将部分打在背压面靠近前缘的区域，而随着流动继续往后再回归主流通道，此过程导致了背压面压力在叶片上段出现一条径向的细窄的低压区，工质在这里有自然的抬离壁面的流动趋势，最终，通过仿真计算以此工况下的背压面压力分布为基准，确定凸起的分布位置；

步骤2、确定了平滑凸起的位置后，设计平滑凸起形状参数，每个平滑凸起的大小由波长W、振幅A、振幅角度D、左宽L和右宽R五个参数采用正交实验设计，获取最佳值区间；

步骤3、所述平滑凸起的确定方法如下：

沿着叶片的长度方向，平滑凸起的两端分别为起点和终点，确定振幅A后，即确定平滑凸起最高点，连接起点、凸起最高点和终点，得到平滑曲线a，连接起点、左宽点和终点，得到平滑曲线b，连接起点、右宽点和终点，得到平滑曲线c，定义一个横截面沿着叶片长度方向，以平滑曲线a、平滑曲线b和平滑曲线c为约束线扫描而过，得到一个凸起，即为平滑凸起。

Images