CN111810247A - 一种兆瓦级径向透平膨胀机可调喷嘴叶片的设计方法 - Google Patents

一种兆瓦级径向透平膨胀机可调喷嘴叶片的设计方法 Download PDF

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冀文慧
王颖
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Abstract

本发明涉及一种膨胀机可调喷嘴叶片的设计方法，属于径向透平领域。其目的是为了解决现有技术尚未针对喷嘴叶片进行设计，导致喷嘴出口气流不均匀，直接冲击叶轮会造成高周疲劳的问题。包括以下步骤：给定喷嘴机构约束尺寸、分析影响喷嘴设计的各个参数，研究对性能变化规律，修正相应初选参数、专业软件三维分析综合评定喷嘴性能和专业软件三维分析综合评定喷嘴性能。创造了修正叶型的独特设计方法，使喷嘴出口气流均匀，降低对叶轮的冲击。

Description

一种兆瓦级径向透平膨胀机可调喷嘴叶片的设计方法
技术领域
本发明涉及一种可调喷嘴叶片的设计方法，属于径向透平领域。
背景技术
在透平膨胀机中，影响效率的主要部件有喷嘴叶片和膨胀机叶轮，其中，喷嘴的影响最大，喷嘴速度系数提高一个百分点，整台膨胀机的效率也差不多提高一个百分点，透平膨胀机调节流量的方式都是采用可调喷嘴结构，喷嘴叶片的型线的光滑决定了进气道的顺滑。
喷嘴环由若干个导向叶片组成，各叶片等间距布置在叶轮入口，气流经过喷嘴通道中压力下降，流速逐渐增加。喷嘴出口气流非常不均匀，具有强烈的脉动性质，若直接冲击叶轮会造成高周疲劳，因此在喷嘴与叶轮之间通常会设置径向间隙，保证气流的充分掺混。
基于上述问题，亟需提出一种兆瓦级径向透平膨胀机可调喷嘴叶片的设计方法，以解决上述技术问题。
发明内容
本发明提供一种兆瓦级径向透平膨胀机可调喷嘴叶片的设计方法，其目的是为了解决现有技术尚未针对喷嘴叶片进行设计，导致喷嘴出口气流不均匀，直接冲击叶轮会造成高周疲劳的问题。在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。
本发明的技术方案：
一种兆瓦级径向透平膨胀机可调喷嘴叶片的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：在一维设计中，实际工程中给定喷嘴机构约束尺寸，喷嘴叶片弦长/喷嘴出口节距为b/l1n，喷嘴叶片数ZN；
分析影响喷嘴设计的各个参数，研究对性能变化规律，修正相应初选参数：
a.在一维设计中，喷嘴与叶轮径向间隙Δr，径向间隙Δr的相对定义如下：
Figure BDA0002591953200000011
式中D1为叶轮入口直径，D1n为喷嘴出口直径；
b.在一维设计评估中，工程中适用选定喷嘴进口直径D0；
c.在一维设计评估中，工程中适用，选定叶片的进口气流角α1，喷嘴出口气流角α1n与叶片的进口气流角α1相对应；
d.初步选定喷嘴出口直径与叶轮入口直径比值D1n/D1；
e.在专业设计软件中完成以下三维设计，选取喷嘴叶型选取中重点关注大厚度进口和气动性能，以此叶型为基础进行喷嘴叶型设计，在进口端进行了局部加厚，进口段R15.77。
步骤三：专业软件三维分析综合评定喷嘴性能：
A.喷嘴叶型选定后，流场分析中重点关注流场分离尽量较小和保证叶栅通道内加速状态，使用专业设计软件生成喷嘴叶型流场的分布云图，对熵分布云图进行分析，除了在吸力面出口段存在较小的流动分离损失和尾迹损失外，整个流场没有其他损失存在；使用专业设计软件生成流场的绝对马赫数分布云图，并分析绝对马赫数分布云图，在叶栅通道内，速度分布层次明显，在整个通道内流动呈现明显的加速状态，不存在通道扩张的情况，完成对选定后的喷嘴叶型的初步校核；
B.分析喷嘴叶片叶型不同径向尺寸下，最大设计厚度的情况下，叶片数以及性能的变化，通过对比数据可知在保证相同出口流量的条件下，随着径向尺寸的增加，最大厚度是增大的，这样喷嘴叶片数相应的降低；随着径向尺寸的增加，性能降低；最终确定喷嘴叶片数。
步骤四：在一维设计中，我们初步定了间隙值Δr，在三维计算过程中，在保证气动性能与效率兼顾的情况下，Δr最终取值15mm；
通过相关参数的选取与专业软件的设计相结合，分析可调喷嘴与膨胀机叶轮之间的间隙，形成满足膨胀机机组性能要求的喷嘴叶片型线a和线型b。
优选的：步骤一中初步喷嘴的参数确定，喷嘴叶片弦长/喷嘴出口节距为b/l1n＝1.8，喷嘴叶片数量ZN＝21。
优选的：步骤二中D1＝440mm，
Figure BDA0002591953200000021
D0＝1.25D1～1.5D1，α1＝65°～78°，D1n/D1＝1.05。
优选的：所述α1＝α1n＝65°～78°。
优选的：最终确定喷嘴叶片数量为21。
本发明具有以下有益效果：
1.本发明可调喷嘴能够实现进气道平稳过渡，以较小的损失将气流导入膨胀机叶轮，可使膨胀机效率明显的提高；
2.创造了修正叶型的独特设计方法，使喷嘴出口气流均匀，降低对叶轮的冲击；
3.在保证气动性能一定，性能与效率兼顾的情况下，喷嘴与叶轮之间间隙依照设计最终确定数值，保证气流的充分掺混；
4.通过相关参数的选取与专业软件的设计相结合，分析可调喷嘴与膨胀机叶轮之间的间隙，形成满足膨胀机机组性能要求的喷嘴叶片型线。
附图说明
图1是一种兆瓦级径向透平膨胀机可调喷嘴叶片的设计方法的喷嘴设计流程图；
图2是一种兆瓦级径向透平膨胀机可调喷嘴叶片的设计方法的喷嘴示意图；
图3是一种兆瓦级径向透平膨胀机可调喷嘴叶片的设计方法的喷嘴叶片角度分布；
图4是一种兆瓦级径向透平膨胀机可调喷嘴叶片的设计方法的熵分布云图；
图5是一种兆瓦级径向透平膨胀机可调喷嘴叶片的设计方法的绝对马赫数分布云图；
图6是一种兆瓦级径向透平膨胀机可调喷嘴叶片的设计方法的厚度分布；
图7是一种兆瓦级径向透平膨胀机可调喷嘴叶片的设计方法的喷嘴叶片型线示意图；
图8是一种兆瓦级径向透平膨胀机可调喷嘴叶片的设计方法的喷嘴叶片型线坐标值图；
图9是一种兆瓦级径向透平膨胀机可调喷嘴叶片的设计方法的不同径向间隙Δr对效率影响的示意图；
图10是一种兆瓦级径向透平膨胀机可调喷嘴叶片的设计方法的径向间隙Δr示意图；
图中1-叶轮，2-喷嘴叶片。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
具体实施方式一：结合图1-图10说明本实施方式，本实施方式的一种兆瓦级径向透平膨胀机可调喷嘴叶片的设计方法，包括以下步骤：
步骤一：初步喷嘴的参数确定，在一维设计中，通常喷嘴设计均采用经验设计，主要原因是在三维几何造型中，喷嘴叶片的弦长及角度分布会直接影响其径向长度分布，结合叶轮设计，通常由于结构设计方面的相互制约，会对喷嘴的尺寸进行调整初步设计，将喷嘴的参数初步固定，喷嘴叶片2弦长/喷嘴出口节距为b/l1n＝1.8，喷嘴叶片2数ZN＝21，如表1所示；
表1气动结构主要参数对照表
名称 符号 值
叶片弦长/喷嘴出口节距 b/l<sub>1n</sub> 1.8
喷嘴叶片数 Z<sub>N</sub> 21
步骤二：喷嘴与叶轮1径向间隙Δr，径向间隙Δr的相对定义如下：
Figure BDA0002591953200000041
式中D1为叶轮1入口直径，在叶轮的一维计算中已给出，D1＝440mm，
Figure BDA0002591953200000042
的经验值一般在0.02～0.08之间选取；
步骤三：为了尽可能的降低径向透平的整体径向尺寸，通常喷嘴叶片2径向尺寸不希望过长，喷嘴叶片2的造型与其进出口角度有关，其三维性较强，因此在设计软件中会对其尺寸进行反复迭代优化，在一维设计评估中，其对性能的影响较小，因此工程中适用选定为喷嘴进口直径D0，D0＝1.25D1～1.5D1；
步骤四：喷嘴出口气流角α1n，喷嘴出口气流角α1n与喷嘴叶片2的入口气流角α1相对应，一般工程中适用α1选取范围为65°～78°，α1n选取范围为65°～78°；
步骤五：D1n/D1的值得选取主要研究喷嘴叶片与叶轮的间隙对气动性能的影响；间隙对气动性能影响在1.04-1.08的范围内在0.1％内，基本可以忽略，但是间隙对噪声及叶轮1周期疲劳影响较大，因此在专业软件三维造型中会对其尺寸配合喷嘴结构进行具体调整，初步选取喷嘴出口直径与叶轮1入口直径比值为D1n/D1＝1.05；
步骤六：在叶型的造型中，随着径向尺寸的增加，可实现更大的叶型厚度；
由于喷嘴叶片2通道的喉道面积是喷嘴叶片厚度、喷嘴叶片数和径向尺寸共同决定，在不同径向尺寸下，最大设计厚度的情况下，喷嘴叶片数以及性能的变化，可见在保证相同出口流量的条件下，随着径向尺寸的增加，最大厚度是增大的，这样喷嘴叶片数相应的降低；随着径向尺寸的增加，性能是有所降低；最终选取喷嘴叶片2数ZN为21，如表2所示；
表2不同径向尺寸喷嘴叶型性能对比
情况1 情况2 情况3
进口半径 305 315 335
出口半径 235 235 235
径向尺寸 70 80 100
叶片数 23 21 19
转速(rpm) 8300 8300 8300
总总膨胀比 1.32905 1.32865 1.32909
总静膨胀比 1.34034 1.34037 1.34035
质量流量(kg/s) 119.481 119.19 119.511
总总绝热效率 0.92087 0.918482 0.917802
步骤七：在一维设计中，我们初步定了间隙值Δr，在三维计算过程中，间隙的大小对性能会有一定影响，间隙越大，气流流出喷嘴后可以掺混更加均匀，进而降低对叶轮的冲击损失，不同的Δr对效率的影响，可见随着间隙的增加，气动性能先增加后降低，在30mm达到最大，此时(Δr)＝Δr/D1＝0.68(设计推荐0.02～0.08)，偏向设计推荐的上限，但是在实际工程应用中，多偏向设计推荐下限，这主要是在保证气动性能一定的情况下，尽量保证结构布局紧凑，在间隙大于15mm后，效率提升缓慢，在保证气动性能与效率兼顾的情况下，修正喷嘴与叶轮1径向间隙Δr，Δr＝15mm，通过相关参数的选取与专业软件的设计相结合，通过对喷嘴叶片进出口直径、进出口气流角等参数的选取，通过一维设计初步估选进出口直径、进出口气流角等值，在软件中进行模拟分析，因为喷嘴叶片2只是机组中的一部分，它的设计需要与叶轮1设计相匹配，设计中需要兼顾效率、具体结构等，分析可调喷嘴与膨胀机叶轮1之间的间隙，形成满足膨胀机机组性能要求的喷嘴叶片型线，即线型a和线型b；
初步参数确定即为给定喷嘴结构约束尺寸，后续结构优化再详细设计；
通过喷嘴与叶轮间间隙Δr、喷嘴进口直径D0、喷嘴出口气流角α1n、D1n/D1喷嘴出口直径与叶轮进口直径比值、修正喷嘴和叶轮间隙Δr分析影响喷嘴设计的各个参数、研究对性能变化规律和修正相应初选参数；
对应专业软件三维分析综合评定喷嘴性能，进行流场合理性分析和喷嘴叶型径向尺寸选择，确定喷嘴叶片2型线，喷嘴设计分析结束。
具体实施方式二：结合图7说明本实施方式，本实施方式的一种获得轴承圆柱滚子柱面最佳成像参数的装置及方法，在专业设计软件中完成以下三维设计，基于喷嘴的相关设计准则，在选取喷嘴叶片2的叶型选取中重点关注大厚度进口和较好的气动性能，结合市场调研，以及主机的机构设计要求，本方案采用以某叶型为基础进行喷嘴叶型设计，喷嘴叶片2进口段为R15.77，从气动角度是有利的。
具体实施方式三：结合图4-图5说明本实施方式，本实施方式的一种兆瓦级径向透平膨胀机可调喷嘴叶片的设计方法，喷嘴叶型选定后，其流场的合理性直接决定对整机性能影响。在流场分析中重点关注两点：①流场分离尽量较小；②在叶栅通道内保证加速状态；给出了喷嘴叶片2的叶型流场的分布云图，从熵分布云图可见，除了在吸力面出口段存在较小的流动分离损失和尾迹损失外，整个流场没有其他损失存在；从流场的绝对马赫数分布云图中我们可以看到在叶栅通道内，速度分布层次明显，在整个通道内流动呈现明显的加速状态，不存在通道扩张的情况；因此，从上述分析可见，本方案采用设计的叶型其流动特性较好，能够很好的满足设计需求。
具体实施方式四：结合图1-图10说明本实施方式，本实施方式的一种兆瓦级径向透平膨胀机可调喷嘴叶片的设计方法，喷嘴叶片2的叶型进口角度设计为纯径向进气。
具体实施方式五：结合图1-图10说明本实施方式，本实施方式的一种获得圆柱滚子轴承滚子柱面最佳成像参数的采集方法，步骤四中喷嘴出口气流角α1n与喷嘴叶片2的入口气流角α1近似相等。
需要说明的是，在以上实施例中，只要不矛盾的技术方案都能够进行排列组合，本领域技术人员能够根据排列组合的数学知识穷尽所有可能，因此本发明不再对排列组合后的技术方案进行一一说明，但应该理解为排列组合后的技术方案已经被本发明所公开。
本实施方式只是对本专利的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域技术人员还可以对其局部进行改变，只要没有超出本专利的精神实质，都在本专利的保护范围内。

Claims (5)

1.一种兆瓦级径向透平膨胀机可调喷嘴叶片的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：在一维设计中，给定喷嘴机构约束尺寸，喷嘴叶片(2)弦长/喷嘴出口节距为b/l1n，喷嘴叶片(2)数ZN；
步骤二：分析影响喷嘴设计的各个参数，研究对性能变化规律，修正相应初选参数：
a.在一维设计中，喷嘴与叶轮(1)径向间隙Δr，径向间隙Δr的相对定义如下：
Figure FDA0002591953190000011
式中D1为叶轮(1)入口直径，D1n为喷嘴出口直径；
b.在一维设计评估中，选定喷嘴进口直径D0；
c.在一维设计评估中，选定叶片的进口气流角α1，喷嘴出口气流角α1n与叶片的进口气流角α1相对应；
d.初步选定喷嘴出口直径与叶轮(1)入口直径比值D1n/D1；
e.在专业设计软件中完成以下三维设计，选取喷嘴叶型选取中重点关注大厚度进口和气动性能，以此叶型为基础进行喷嘴叶型设计，在进口端进行了局部加厚，进口段R15.77。
步骤三：专业软件三维分析综合评定喷嘴性能：
A.喷嘴叶型选定后，流场分析中重点关注流场分离尽量较小和保证叶栅通道内加速状态，使用专业设计软件生成喷嘴叶型流场的分布云图，对熵分布云图进行分析，除了在吸力面出口段存在较小的流动分离损失和尾迹损失外，整个流场没有其他损失存在；使用专业设计软件生成流场的绝对马赫数分布云图，并分析绝对马赫数分布云图，在叶栅通道内，速度分布层次明显，在整个通道内流动呈现明显的加速状态，不存在通道扩张的情况，完成对选定后的喷嘴叶型的初步校核；
B.分析喷嘴叶片叶型不同径向尺寸下，最大设计厚度的情况下，叶片数以及性能的变化，通过对比数据可知在保证相同出口流量的条件下，随着径向尺寸的增加，最大厚度是增大的，这样喷嘴叶片数相应的降低；随着径向尺寸的增加，性能降低；最终确定喷嘴叶片数；
步骤四：在一维设计中，初步定间隙值Δr，在三维计算过程中，在保证气动性能与效率兼顾的情况下，Δr最终取值15mm；
通过相关参数的选取与专业软件的设计相结合，分析可调喷嘴与膨胀机叶轮之间的间隙，形成满足膨胀机机组性能要求的喷嘴叶片型线a和线型b。
2.根据权利要求1所述的一种兆瓦级径向透平膨胀机可调喷嘴叶片的设计方法，其特征在于：步骤一中初步喷嘴的参数确定，喷嘴叶片(2)弦长/喷嘴出口节距为b/l1n＝1.8，喷嘴叶片(2)数量ZN＝21。
3.根据权利要求1所述的一种兆瓦级径向透平膨胀机可调喷嘴叶片的设计方法，其特征在于：步骤二中D1＝440mm，
Figure FDA0002591953190000021
D0＝1.25D1～1.5D1，α1＝65°～78°，D1n/D1＝1.05。
4.根据权利要求3所述的一种兆瓦级径向透平膨胀机可调喷嘴叶片的设计方法，其特征在于：所述α1＝α1n＝65°～78°。
5.根据权利要求1所述的一种兆瓦级径向透平膨胀机可调喷嘴叶片的设计方法，其特征在于：最终确定喷嘴叶片(2)数量为21。
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