CN111636928B - 一种控制反动度分布的高效燃气轮机末级导叶 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种控制反动度分布的高效燃气轮机末级导叶，包括：上缘板、叶身、下缘板、上盖板、导流管、下盖板。叶身型线为变截面扭叶片，相邻两截面间有相对扭转，且所述叶身的根部截面到其顶部截面的节距与弦长、叶型截面轴向宽度、叶型截面最大厚度及叶型截面面积均有优化后的比值范围。本发明的末级导叶具有气动效率高、强度振动性能好等优点，适合工作的环境温度范围大。

Description

一种控制反动度分布的高效燃气轮机末级导叶
技术领域
本发明涉及地面重型燃气轮机涡轮叶片领域，尤其涉及一种控制反动度分布的高效燃气轮机末级导叶。
背景技术
燃气轮机机组因为其质量轻、体积小、启动快，控制方便等优点，被广泛应用在舰艇、发电机组等多个领域。但是，涡轮导流叶片的工作环境温度高，工质流动状态复杂，现有技术中，叶片型线设计并不能很好的控制反动度，进而影响效率。
一般来讲，燃气轮机涡轮末级导叶在涡轮各级导叶中有着最大的工作高度和端壁扩张角度。大的叶身工作高度会增加控制参数沿径向合理分布的难度，例如：当使用传统的等出气角流型时，会引起叶片根部和顶部很大的反动度差，过高或者过低的反动度均会影响气动效率；而且，当燃气轮机在部分负荷下运行，涡轮末级根部反动度容易降低至负反动度，更加恶化根部流动状况，降低叶栅效率。另外，大的端壁扩张角度容易引起流动分离，降低气动效率。
中国专利CN208816192U公开了一种燃气轮机用动力涡轮末级导叶片，包括：叶片上端壁、叶片工作部分以及叶片下端壁，叶片上端壁、叶片工作部分和叶片下端壁由上到下制成一体，叶片工作部分的型线为变截面扭叶片，沿叶片高度形状不同，其截面面积由根部至顶部逐渐增大，相邻两截面间有相对扭转，叶片工作部分以靠近叶片下端壁的叶片根部截面A-A为基准，由下至上依次定义为截面B-B、截面C-C、截面D-D、截面E-E、截面F-F和截面G-G，并对叶片工作部分上各截面高度、轴向宽度、弦长、进气角、安装角、型线最大厚度尺寸结构的调整。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种控制反动度分布的燃气轮机末级导叶，能够在叶片全工况下，保持气动性能以及强度振动性能稳定，解决上述问题。
为此目的，本发明由如下技术方案实施。
一种控制反动度分布的高效燃气轮机末级导叶，所述导叶由上缘板、叶身、下缘板、上盖板、导流管、下盖板组成；所述叶身型线为变截面扭叶片，相邻两截面间有相对扭转；
所述叶身的根部截面到其顶部截面的节距与弦长比值(t/b)变化范围为0.52～0.62；所述节距与叶型截面轴向宽度比值(t/w)变化范围为0.72～0.79，所述节距与叶型截面最大厚度比值(t/d)变化范围为3.3～3.9；所述节距与叶型截面面积比值(t/A)变化范围为0.03～0.07。
进一步，所述上盖板与所述上缘板焊接，所述下盖板与所述下缘板焊接；所述上盖板及下盖板中心区域加工有通孔，所述导流管穿过所述通孔，并与所述上盖板、下盖板焊接固定。
进一步，导叶安装角(γ)的变化范围为42.2°～55.3°，进口几何角(α)的变化范围为70.1°～88.3°，出口几何角(β)的变化范围为21.6°～32.4°。
更进一步，叶身工作高度(H)为325～332mm，所述出口几何角(β)随叶高增加呈单调递减趋势，最大出口几何角和最小出口几何角差值范围为10°～12°。
更进一步，所述上缘板轴向长度(Ls)为160～168mm，厚度(Es)为8～12mm，扩张角度(αs)为20°～24°；所述下缘板轴向长度(Lh)为137～145mm，厚度(Eh)为8～11mm，扩张角度(αh)为10°～12°。
进一步，所述上缘板、叶身和下缘板由上至下精铸成一体，采用熔模铸造。
更进一步，所述上缘板、叶身和下缘板材料为镍基高温合金；所述上缘板、叶身和下缘板靠近燃气侧表面覆盖MCrAlY涂层，厚度为0.2mm。
本发明具有如下优点：
本发明采用三元流场设计技术设计，沿叶高方向具有一定的扭曲规律，即兼顾了叶片静强度要求，还使得叶片具有很好的气动性能，采用可控涡流型，沿叶身各热力参数分布规律合理，从叶根到叶顶反动度偏差小，在变工况下无负反动度出现。
进一步通过端壁处扩张角度与叶片型线的联合优化调整，经仿真模拟验证，在出口流量为570t/h的设计工况下，叶片的气动效率提高1～2％。另通过常规应力分析和三维有限元强度分析结果表明，该叶型具有足够的强度性能，设计工况下的气流弯应力较小。实际测试适合在环境温度为-10℃～50℃的工况下运行。
附图说明
图1为本发明组合结构视图；
图2为本发明的上、下盖板和导流管结构示意图；
图3为本发明叶身剖面图；
图4为本发明的叶片叶型参数示意图；
图5是本发明的叶片叶型参数示意图(图5-a为叶型侧视图及截面划分，图5-b为叶身部分各截面型线叠合示意图)；
图6为本发明上缘板侧视图；
图7为本发明下缘板侧视图；
图8为本发明与传统叶片测试结果图。
图中：
1-上缘板；2-叶身；3-下缘板；4-上盖板；5-导流管；6-下盖板；7-冷却空气入口；8-冷却空气出口；9-流道。
具体实施方式
下面将结合附图1-7，对本发明做进一步说明。
一种控制反动度分布的高效燃气轮机末级导叶，如图1、2所示，导叶由上缘板1、叶身2、下缘板3、上盖板4、导流管5、下盖板6组成；结合图5-a、5-b所示，叶身2型线为变截面扭叶片，相邻两截面间有相对扭转。
上盖板4与上缘板1焊接，下盖板6与下缘板3焊接；上盖板4及下盖板6中心区域加工有通孔，导流管5穿过通孔，并与上盖板4、下盖板6焊接固定，分别形成冷却空气入口(7)流入和冷却空气出口(8)；如图2、图3所示，冷却空气由冷却空气入口(7)流入，进入导流管内(5)的流道(9)从冷却空气出口(8)流出，进入下游腔室提供密封和部分冷却作用。
结合图4所示，叶身2的根部截面到其顶部截面的节距与弦长比值t/b变化范围为0.52～0.62；节距与叶型截面轴向宽度比值t/w变化范围为0.72～0.79，节距与叶型截面最大厚度比值t/d变化范围为3.3～3.9；节距与叶型截面面积比值t/A变化范围为0.03～0.07。
优选设计为，导叶安装角γ的变化范围为42.2°～55.3°，进口几何角α的变化范围为70.1°～88.3°，出口几何角β的变化范围为21.6°～32.4°。
优选设计为，叶身2工作高度H为325～332mm，出口几何角(β)随叶高增加呈单调递减趋势，最大出口几何角和最小出口几何角差值范围为10°～12°。如图6、7所示，上缘板1轴向长度Ls为160～168mm，厚度Es为8～12mm，扩张角度αs为20°～24°；下缘板3轴向长度Lh为137～145mm，厚度Eh为8～11mm，扩张角度αh为10°～12°。
优选设计为，上缘板1、叶身2和下缘板3由上至下精铸成一体，采用熔模铸造，材料为镍基高温合金；上缘板1、叶身2和下缘板3靠近燃气侧表面覆盖MCrAlY涂层，厚度为0.2mm。
本发明的提供的一种末级导叶与同型号传统叶片进行同工况下测试，获得反动度沿叶高分布图，如图8所示。相比于传统的设计方法，本发明能够很好的实现反动度沿叶高的控制。由图可以看出，本发明末级叶片提高了根部反动度，降低了顶部的反动度，这可以使得出口气动参数更加均匀，降低峰值马赫数，提高叶片的效率。
以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种控制反动度分布的高效燃气轮机末级导叶，包括：上缘板(1)、叶身(2)、下缘板(3)、上盖板(4)、导流管(5)、下盖板(6)；所述叶身(2)型线为变截面扭叶片，相邻两截面间有相对扭转；
其特征在于，所述叶身(2)的根部截面到其顶部截面的节距与弦长比值(t/b)变化范围为0.52～0.62；所述叶身(2)的根部截面到其顶部截面的节距与叶型截面轴向宽度比值(t/w)变化范围为0.72～0.79，所述叶身(2)的根部截面到其顶部截面的节距与叶型截面最大厚度比值(t/d)变化范围为3.3～3.9；所述叶身(2)的根部截面到其顶部截面的节距与叶型截面面积比值(t/A)变化范围为0.03～0.07；
导叶安装角(γ)的变化范围为42.2°～55.3°，进口几何角(α)的变化范围为70.1°～88.3°，出口几何角(β)的变化范围为21.6°～32.4°；
叶身(2)工作高度(H)为325～332mm，出口几何角(β)随叶高增加呈单调递减趋势；
所述上缘板(1)轴向长度(Ls)为160～168mm，厚度(Es)为8～12mm，扩张角度(αs)为20°～24°；
所述下缘板(3)轴向长度(Lh)为137～145mm，厚度(Eh)为8～11mm，扩张角度(αh)为10°～12°。
2.根据权利要求1所述的末级导叶，其特征在于，所述上盖板(4)与所述上缘板(1)焊接，所述下盖板(6)与所述下缘板(3)焊接；所述上盖板(4)及下盖板(6)中心区域加工有通孔，所述导流管(5)穿过所述通孔，并与所述上盖板(4)、下盖板(6)焊接固定。
3.根据权利要求1所述的末级导叶，其特征在于，所述出口几何角(β)的最大值和最小值的差为10°～12°。
4.根据权利要求1所述的末级导叶，其特征在于，所述上缘板(1)、叶身(2)和下缘板(3)由上至下精铸成一体，采用熔模铸造。
5.根据权利要求1所述的末级导叶，其特征在于，所述上缘板(1)、叶身(2)和下缘板(3)材料为镍基高温合金。
6.根据权利要求1所述的末级导叶，其特征在于，所述上缘板(1)、叶身(2)和下缘板(3)靠近燃气侧表面覆盖MCrAlY涂层，厚度为0.2mm。
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