CN114483204A - 一种适用于径轴向直立非垂直进气的静叶 - Google Patents

一种适用于径轴向直立非垂直进气的静叶 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于径轴向直立非垂直进气的静叶，属于叶轮机械装置技术领域；根据二次多项式规律确定的不同叶高位置基础二维叶型的出口几何角和相对栅距的变化规律，调整各截面基础二维叶型的安装角度，若满足预定条件，则给出叶片安装角度、出口几何角沿叶高分布实现静叶的制造；本发明的非垂直进气叶身结构，通过对特征截面的轮廓线参数进行优化，叶身截面气动性能优良，同时，其攻角适应性好，在进气角度40°‑140°的情况下，叶型损失都较低，以本设计的截面叶型为基础可以几何模化到任意尺寸的使用，此叶身结构所成型的叶片能够适用于汽轮机，也可以推广使用到小型径流式向心透平静叶。

Description

一种适用于径轴向直立非垂直进气的静叶
技术领域
本发明涉及一种适用于径轴向直立非垂直进气的静叶，属于叶轮机械装置技术领域。
背景技术
叶轮机械的叶型损失占总能量损失1/3以上，叶片特性直接决定了叶轮机械效率的高低。非垂直进气叶型相比垂直进气叶型具有以下特点，汽流在叶片通道中的折转角小，型损及二次流损失更低，非垂直进气叶型的应用可以提高叶轮机械的效率，有效提高能源的利用率。。
发明内容
本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种适用于径轴向直立非垂直进气的静叶，该非垂直进汽叶型属于“高度前加载”静叶，具有较大的头部尺寸，可以适应很宽的攻角范围。
本发明采用的技术方案如下：
一种适用于径轴向直立非垂直进气的静叶，包括以下步骤：
S1根据叶片叶高H，选取不同相对叶高位置的基础二维叶型；
S2根据叶片根径、只数、叶高，根据二次多项式规律确定的相对栅距变化规律，确定不同相对叶高位置基础二维叶型的弦长；
S3根据步骤2中确定的沿叶片高度方向的相对栅距，根据二次多项式规律确定的不同叶高位置基础二维叶型的出口几何角变化规律，调整各截面基础二维叶型的安装角度，若满足预定条件，则给出叶片安装角度、出口几何角沿叶高分布；
S4根据设计需求，再整体微调静叶片的摆放位置，以达到整个叶身的平均出口几何角满足设计要求。
进一步的，叶片包括叶身，所述叶身由若干个基础二维叶型按一定规律积叠扭转成型，所述基础二维叶型截面是由前缘、压力面、尾缘、吸力面共4段封闭曲线依次连接组成。
进一步的，所述基础二维叶型特征截面具有参数：安装角C、弦长b、节距t、喉部宽度0、基础二维叶型截面高度h、叶片叶高H、相对叶高h/H、相对栅距t/b。
进一步的，在步骤S3中，控制所述各截面基础二维叶型的相对栅距t/b、安装角C沿相对叶高h/H从根部到顶部的分布规律，使沿相对叶高h/H自根部向顶部，各特征截面连续光滑过渡。
进一步的，叶片出口几何角sin-1(o/t)沿相对叶高h/H分布规律满足如下关系式：
sin-1(o/t)＝ax2+bx+c
式中，x为基础二维叶型所处截面的相对叶高，sin-1(o/t)为该截面叶片出口几何角，a、b、c的取值与叶身高度H相关。
进一步的，所述叶片出口几何角sin-1(o/t)沿如下规律径向变化：
sin-1(o/t)根-sin-1(o/t)中＝-1°～0°sin-1(o/t)中-sin-1(o/t)顶＝-1°～0°，H≤60；
sin-1(o/t)根-sin-1(o/t)中＝-2°～0°sin-1(o/t)中-sin-1(o/t)顶＝-1°～0°，60＜H≤120；
sin-1(o/t)根-sin-1(o/t)中＝-3°～0°sin-1(o/t)中-sin-1(o/t)顶＝-3°～0°，120＜H≤300；
式中，sin-1(o/t)根为根部截面出口几何角，sin-1(o/t)中为中部截面出口几何角，sin-1(o/t)顶为顶部截面出口几何角。
进一步的，所述基础二维叶型的相对栅距t/b分布规律满足如下关系式：
t/b＝Ax2+Bx+C
式中，x为基础二维叶型所处截面的相对叶高，t/b为该截面相对栅距，A、B、C的取值与叶身高度H相关。
进一步的，所述基础二维叶型的相对栅距t/b分布沿如下规律径向变化：
(t/b)根-(t/b)中＝-0.06～-0.08(t/b)中-(t/b)顶＝-0.04～-0.06，H≤60；
(t/b)根-(t/b)中＝-0.08～-0.10(t/b)中-(t/b)顶＝-0.06～-0.08，60＜H≤120；
(t/b)根-(t/b)中＝-0.10～-0.12(t/b)中-(t/b)顶＝-0.08～-0.10，120＜H≤300；
式中，(t/b)根为根部截面相对栅距，(t/b)中为中部截面相对栅距，(t/b)顶为顶部截面相对栅距。
进一步的，基础二维叶型的截面型线满足以下特征：
压力面封闭线为多项式曲线：
y＝0.0046x^3-0.2667x^2+5.5483x+1.6359，x单位m；
吸力面封闭线为多项式曲线：
y＝0.0037x^3-0.1736x^2+3.7454x-1.0288，x单位m。
进一步的，制作成型的静叶叶片可应用于单流和双分流结构的透平机械。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
本发明的一种适用于径轴向直立非垂直进气的静叶所设计的非垂直进气叶身结构，通过对特征截面的轮廓线参数进行优化，叶身截面气动性能优良，同时，其攻角适应性好，在进气角度40°-140°的情况下，叶型损失都较低，以本设计的截面叶型为基础可以几何模化到任意尺寸的使用，此叶身结构所成型的叶片能够适用于汽轮机，也可以推广使用到小型径流式向心透平静叶。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是本发明叶片的结构示意图；
图2是不同叶身高度时出口几何角sin-1(o/t)沿叶高分布示意图；
图3是为不同叶身高度时相对栅距t/b沿叶高分布示意图；
图4是叶型截面示意图。
图中标记：1-叶身；2-叶片前缘；3-叶片尾缘；4-根部截面；5-中部截面；6-顶部截面；7-叶片压力面；8-叶片吸力面；r1-入口小圆半径；r2-出口小圆半径；b-弦长；xl-x方向长度；C-安装角；O-喉宽；t-节距。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
实施例
一种适用于径轴向直立非垂直进气的静叶，如图1至图4所示，包括以下步骤：
S1根据叶片叶高H，选取不同相对叶高位置的基础二维叶型；
S2根据叶片根径、只数、叶高，根据二次多项式规律确定的相对栅距变化规律，确定不同相对叶高位置基础二维叶型的弦长；
S3根据步骤2中确定的沿叶片高度方向的相对栅距，根据二次多项式规律确定的不同叶高位置基础二维叶型的出口几何角变化规律，调整各截面基础二维叶型的安装角度，若满足预定条件，则给出叶片安装角度、出口几何角沿叶高分布；
S4根据设计需求，再整体微调静叶片的摆放位置，以达到整个叶身的平均出口几何角满足设计要求。
而在上述的步骤中，根据上述具体的描述中，需要进一步的提供相关计算以及结合相关的规律要求。但是在叶片的结构设计上，作为具体的设计，如图1所示，叶片包括叶身，所述叶身由若干个基础二维叶型按一定规律积叠扭转成型，所述基础二维叶型截面是由前缘、压力面、尾缘、吸力面共4段封闭曲线依次连接组成。具体的描述：叶片包括叶身1，所述叶身1由若干个基础二维叶型按一定规律积叠扭转成型，所述基础二维叶型具有叶片前缘2、叶片尾缘3、根部截面4、中部截面5、顶部截面6、叶片压力面7以及叶片吸力面8形成。而在这些的特征基础上，进行进一步的相关参数设计，使叶片按照要求进行加工。
作为更加具体的设计，在基础二维叶型的设计上，其特征截面具有安装角C、弦长b、节距t、喉部宽度0、基础二维叶型截面高度h、叶片叶高H、相对叶高h/H、相对栅距t/b等相关参数。
在上述基础上，在步骤S3中，控制所述各截面基础二维叶型的相对栅距t/b、安装角C沿相对叶高h/H从根部到顶部的分布规律，使沿相对叶高h/H自根部向顶部，各特征截面连续光滑过渡。
为了满足相关的分布规律，进一步的进行计算，叶片出口几何角sin-1(o/t)沿相对叶高h/H分布规律满足如下关系式，如图2所示：
sin-1(o/t)＝ax2+bx+c
式中，x为基础二维叶型所处截面的相对叶高，sin-1(o/t)为该截面叶片出口几何角，a、b、c的取值与叶身高度H相关。
进一步的，所述叶片出口几何角sin-1(o/t)沿如下规律径向变化：
sin-1(o/t)根-sin-1(o/t)中＝-1°～0°sin-1(o/t)中-sin-1(o/t)顶＝-1°～0°，H≤60；
sin-1(o/t)根-sin-1(o/t)中＝-2°～0°sin-1(o/t)中-sin-1(o/t)顶＝-1°～0°，60＜H≤120；
sin-1(o/t)根-sin-1(o/t)中＝-3°～0°sin-1(o/t)中-sin-1(o/t)顶＝-3°～0°，120＜H≤300；
式中，sin-1(o/t)根为根部截面出口几何角，sin-1(o/t)中为中部截面出口几何角，sin-1(o/t)顶为顶部截面出口几何角。
更进一步的，所述基础二维叶型的相对栅距t/b分布规律满足如下关系式，如图3所示：
t/b＝Ax2+Bx+C
式中，x为基础二维叶型所处截面的相对叶高，t/b为该截面相对栅距，A、B、C的取值与叶身高度H相关。
进一步的，所述基础二维叶型的相对栅距t/b分布沿如下规律径向变化：
(t/b)根-(t/b)中＝-0.06～-0.08(t/b)中-(t/b)顶＝-0.04～-0.06，H≤60；
(t/b)根-(t/b)中＝-0.08～-0.10(t/b)中-(t/b)顶＝-0.06～-0.08，60＜H≤120；
(t/b)根-(t/b)中＝-0.10～-0.12(t/b)中-(t/b)顶＝-0.08～-0.10，120＜H≤300；
式中，(t/b)根为根部截面相对栅距，(t/b)中为中部截面相对栅距，(t/b)顶为顶部截面相对栅距。
进一步的，基础二维叶型的截面型线满足以下特征，如图4所示：
压力面封闭线为多项式曲线：
y＝0.0046x^3-0.2667x^2+5.5483x+1.6359，x单位m；
吸力面封闭线为多项式曲线：
y＝0.0037x^3-0.1736x^2+3.7454x-1.0288，x单位m；
轴向宽度与弦长的比值xl/b＝0.47；
前缘曲线为圆弧，圆弧半径与弦长的比值r1/b＝0.08；
尾缘曲线为圆弧，圆弧半径与弦长的比值r2/b＝0.0022。
进一步的考虑，制作成型的静叶叶片可应用于单流和双分流结构的透平机械。
综上所述，本发明的一种适用于径轴向直立非垂直进气的静叶所设计的非垂直进气叶身结构，通过对特征截面的轮廓线参数进行优化，叶身截面气动性能优良，同时，其攻角适应性好，在进气角度40°-140°的情况下，叶型损失都较低，以本设计的截面叶型为基础可以几何模化到任意尺寸的使用，此叶身结构所成型的叶片能够适用于汽轮机，也可以推广使用到小型径流式向心透平静叶。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (10)

1.一种适用于径轴向直立非垂直进气的静叶，其特征在于：包括以下步骤：
S1根据叶片叶高H，选取不同相对叶高位置的基础二维叶型；
S2根据叶片根径、只数、叶高，根据二次多项式规律确定的相对栅距变化规律，确定不同相对叶高位置基础二维叶型的弦长；
S3根据步骤2中确定的沿叶片高度方向的相对栅距，根据二次多项式规律确定的不同叶高位置基础二维叶型的出口几何角变化规律，调整各截面基础二维叶型的安装角度，若满足预定条件，则给出叶片安装角度、出口几何角沿叶高分布；
S4根据设计需求，再整体微调静叶片的摆放位置，以达到整个叶身的平均出口几何角满足设计要求。
2.如权利要求1所述的一种适用于径轴向直立非垂直进气的静叶，其特征在于：叶片包括叶身，所述叶身由若干个基础二维叶型按一定规律积叠扭转成型，所述基础二维叶型截面是由前缘、压力面、尾缘、吸力面共4段封闭曲线依次连接组成。
3.如权利要求1或2所述的一种适用于径轴向直立非垂直进气的静叶，其特征在于：所述基础二维叶型特征截面具有参数：安装角C、弦长b、节距t、喉部宽度0、基础二维叶型截面高度h、叶片叶高H、相对叶高h/H、相对栅距t/b。
4.如权利要求3所述的一种适用于径轴向直立非垂直进气的静叶，其特征在于：在步骤S3中，控制所述各截面基础二维叶型的相对栅距t/b、安装角C沿相对叶高h/H从根部到顶部的分布规律，使沿相对叶高h/H自根部向顶部，各特征截面连续光滑过渡。
5.如权利要求4所述的一种适用于径轴向直立非垂直进气的静叶，其特征在于：叶片出口几何角sin-1(o/t)沿相对叶高h/H分布规律满足如下关系式：
sin-1(o/t)＝ax2+bx+c
式中，x为基础二维叶型所处截面的相对叶高，sin-1(o/t)为该截面叶片出口几何角，a、b、c的取值与叶身高度H相关。
6.如权利要求5所述的一种适用于径轴向直立非垂直进气的静叶，其特征在于：所述叶片出口几何角sin-1(o/t)沿如下规律径向变化：
sin-1(o/t)根-sin-1(o/t)中＝-1°～0°sin-1(o/t)中-sin-1(o/t)顶＝-1°～0°，H≤60；
sin-1(o/t)根-sin-1(o/t)中＝-2°～0°sin-1(o/t)中-sin-1(o/t)顶＝-1°～0°，60＜H≤120；
sin-1(o/t)根-sin-1(o/t)中＝-3°～0°sin-1(o/t)中-sin-1(o/t)顶＝-3°～0°，120＜H≤300；
式中，sin-1(o/t)根为根部截面出口几何角，sin-1(o/t)中为中部截面出口几何角，sin-1(o/t)顶为顶部截面出口几何角。
7.如权利要求4所述的一种适用于径轴向直立非垂直进气的静叶，其特征在于：所述基础二维叶型的相对栅距t/b分布规律满足如下关系式：
t/b＝Ax2+Bx+C
式中，x为基础二维叶型所处截面的相对叶高，t/b为该截面相对栅距，A、B、C的取值与叶身高度H相关。
8.如权利要求7所述的一种适用于径轴向直立非垂直进气的静叶，其特征在于：所述基础二维叶型的相对栅距t/b分布沿如下规律径向变化：
(t/b)根-(t/b)中＝-0.06～-0.08(t/b)中-(t/b)顶＝-0.04～-0.06，H≤60；
(t/b)根-(t/b)中＝-0.08～-0.10(t/b)中-(t/b)顶＝-0.06～-0.08，60＜H≤120；
(t/b)根-(t/b)中＝-0.10～-0.12(t/b)中-(t/b)顶＝-0.08～-0.10，120＜H≤300；
式中，(t/b)根为根部截面相对栅距，(t/b)中为中部截面相对栅距，(t/b)顶为顶部截面相对栅距。
9.如权利要求2所述的一种适用于径轴向直立非垂直进气的静叶，其特征在于：基础二维叶型的截面型线满足以下特征：
压力面封闭线为多项式曲线：
y＝0.0046x^3-0.2667x^2+5.5483x+1.6359，x单位m；
吸力面封闭线为多项式曲线：
y＝0.0037x^3-0.1736x^2+3.7454x-1.0288，x单位m。
10.如权利要求1所述的一种适用于径轴向直立非垂直进气的静叶，其特征在于：制作成型的静叶叶片可应用于单流和双分流结构的透平机械。
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