CN117454549A - 一种电站动调轴流风机混合叶片设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电站动调轴流风机混合叶片设计方法，包括：首先，根据动叶可调式轴流风机节能改造前、后风机选型参数确定风机节能改造技术路线；然后，根据风机节能改造技术路线，给出动叶可调式轴流风机混合叶片设计方法；最后，基于所设计的风机混合叶片，给出混合叶片在轮毂上的布置方式及安装方法。本发明可以根据用户实际需求，个性化开发定制动调轴流风机小型节能叶片，并将所开发的小型节能叶片与原有动叶片进行混合安装与使用，动调轴流风机混合叶片设计完成后，可以降低风机出力，实现风机深度节能。

Description

一种电站动调轴流风机混合叶片设计方法

技术领域

本发明涉及燃煤电厂烟气系统所使用的动叶可调式轴流风机，具体涉及一种电站动调轴流风机混合叶片设计方法。

背景技术

目前全国各类火电机组动叶可调轴流式风机的应用最为广泛，然而，由于风机选型不合理、煤质变化太大、机组频繁深度调峰等因素，使得风机在实际运行过程中存在着风机出力不足、失速裕量低以及与管网系统匹配性差等各种问题，导致动叶可调式轴流风机实际运行经济性和安全性往往较差，造成火力发电机组能耗较高。

动叶可调式轴流风机如果选型裕量过大的话，那么在实际运行过程中风机会出现能耗过高，低开度动叶调节特性差等问题，此时，就需要对动叶可调式轴流风机实施节能改造，传统的改造方案都是将风机整机更换，这样不仅投资费用巨大，回收周期长，而且因为设备厂家产品型号有限，难以满足动叶可调式轴流风机多元化的出力需求，所以改造后风机与系统匹配性往往难以达到最佳。因此，动叶可调式轴流风机实施节能改造时，从风机节能改造效果和投资费用角度考虑，可以采用将原有风机部分叶片更换为小型节能叶片、剩余叶片利旧的方法，建立动调轴流风机原有叶片、节能叶片混合设计方法，基于该叶片设计方法实施动叶可调式轴流风机节能改造后，能够获得显著的节能效果，并保证风机的安全稳定运行。

发明内容

为解决现有技术存在的问题，本发明提出一种电站动调轴流风机混合叶片设计方法，其技术方案是在保持动叶可调式轴流风机整体基本利旧的前提下，对风机部分动叶片进行节能叶片造型，造型完成后将原有风机部分动叶片更换为小型节能叶片，其余动叶片利旧，通过对动调轴流风机混合叶片设计达到节省投资费用、缩短投资回收年限，进而能够实现风机深度节能，并保证风机安全可靠运行。

本发明采用如下技术方案来实现的：

一种电站动调轴流风机混合叶片设计方法，包括：

首先，根据动叶可调式轴流风机节能改造前、后风机选型参数确定风机节能改造技术路线；然后，根据风机节能改造技术路线，给出动叶可调式轴流风机混合叶片设计方法；最后，基于所设计的风机混合叶片，给出混合叶片在轮毂上的布置方式及安装方法。

本发明进一步的改进在于，该方法具体实现方法如下：

1)根据动叶可调式轴流风机节能改造前、后风机选型参数确定风机节能改造技术路线；动叶可调式轴流风机改造前风机TB点选型参数对应的风机流量为q_v1，单位为m³/s，风机全压为p_t1，单位为Pa，风机节能改造后TB点选型参数对应的风机流量为q_v2，单位为m³/s，风机全压为p_t2，单位为Pa；当风机改造前、后技术参数满足预设条件时，实施动叶可调式轴流风机混合叶片设计；

当风机改造前、后技术参数满足预设条件时，通过动叶可调式轴流风机混合叶片设计实现风机节能改造效果；

2)确定动叶可调式轴流风机混合叶片设计方法，具体实现方法如下：

(1)风机混合动叶排由原有动叶片、小型节能叶片和轮毂组成；其中，原有动叶片包括旧动叶身、旧叶根导圆和旧叶片底盘，小型节能叶片包括新动叶身、新叶根导圆和新叶片底盘；新叶片底盘与旧叶片底盘的结构完全一致，新叶根导圆和旧叶根导圆均为圆弧曲面，两者的曲率半径保持一致，即R₂₂＝R₁₂，且R₂₂∈[15,25]mm；新动叶身曲面是基于旧动叶身曲面，通过曲面参数化拟合和调整拟合参数重新曲面造型而来的；

(2)对旧动叶身的曲面进行参数化拟合，获得曲面拟合的控制参数；

(3)根据旧动叶身的曲面参数化拟合结果，确定新叶身的曲面造型；

3)基于所设计的风机混合叶片，给出混合叶片在轮毂上的布置方式及安装方法。

本发明进一步的改进在于，步骤1)中，风机改造前、后技术参数需要满足的预设条件为：

风机改造前、后风机流量之比满足

风机改造前、后风机全压之比满足

风机改造前单级动叶叶片数M为偶数。

本发明进一步的改进在于，步骤1)中，通过动叶可调式轴流风机混合叶片设计实现风机节能改造效果，具体实现方法为：

改造前、后风机单级动叶叶片数目M保持不变，改造前单级动叶叶片数M为偶数，改造后将M/2片叶片更换为小型节能叶片，保留原有M/2片叶片，小型节能叶片与原有叶片依次交替布置。

本发明进一步的改进在于，步骤2)的(2)中，首先，在极坐标系将旧动叶身沿叶高方向均匀划分为N个叶型截面，其中3≤N≤10，N为整数，第1个截面为叶根截面，第N个截面为叶尖截面，每个叶型截面曲线由压力面型线PS_i、吸力面型线SS_i组成，通过对压力面型线PS_i、吸力面型线SS_i曲线上的离散点进行曲线拟合的方法，获取每个叶型截面的曲线控制参数；然后，以每个叶型截面曲线的重心O_i为离散点，采用n阶贝塞尔曲线对旧动叶积叠曲线进行拟合，求解得到旧动叶积叠曲线SL以及曲线控制参数。

本发明进一步的改进在于，步骤2)的(2)中，具体实现方法如下：

①采用二阶贝塞尔曲线，对旧动叶身11第i个叶型截面的中弧线C_i进行曲线拟合，其中1≤i≤N，将中弧线C_i水平放置到平面直角坐标系中，中弧线C_i前缘点LE_i为坐标原点(0,0)，中弧线C_i弦长为Cord_i，中弧线C_i尾缘点TE_i坐标为(Cord_i，0)，中弧线C_i上均匀选取N_C个离散点，其中90≤N_C≤150，曲线拟合的标准差RSD满足RSD≤1E-3，通过二阶贝塞尔曲线拟合求解得到贝塞尔曲线的控制点P_i的坐标以及拟合曲线函数方程：y＝f(x)；然后，根据贝塞尔曲线的控制点P_i以及中弧线C_i前缘点LE_i、中弧线C_i尾缘点TE_i的坐标，求解得到第i个叶型截面的进口几何角β_1,i、出口几何角β_2,i以及叶型弦长Cord_i；

②采用n阶贝塞尔曲线，n≥3，对旧动叶身11第i个叶型截面的压力面型线PS_i、吸力面型线SS_i进行曲线拟合；n阶贝塞尔曲线公式如下：

式中，j为贝塞尔曲线控制点序号，P_j为第j个控制点，j＝0,1,...,n，n为贝塞尔曲线阶数，t为[0,1]之间的时间参数，B(t)为参数t对应的贝塞尔曲线上点的坐标，B_j,n(t)为n阶Bernstein基函数，为组合数，/>

将中弧线C_i水平放置到平面直角坐标系中，中弧线C_i前缘点LE_i为坐标原点(0,0)，中弧线C_i弦长为Cord_i，中弧线C_i尾缘点TE_i坐标为(Cord_i，0)，压力面型线PS_i、吸力面型线SS_i上分别均匀选取N_P、N_S个离散点，100≤N_P＝N_S≤160，拟合过程中，保持叶片前缘点LE_i、叶片尾缘点TE_i位置不变，采用对中弧线C_i两侧施加相同叶型厚度分布的方式对压力面型线PS_i、吸力面型线SS_i上的离散点进行曲线拟合；采用最小二乘法，根据贝塞尔拟合曲线与中弧线C_i离散点之间误差平方和最小原则，求解贝塞尔曲线控制点P_i，i＝0,1,...,n，并得到贝塞尔曲线阶数n，拟合完成后得到叶型厚度分布的n阶贝塞尔拟合曲线及拟合曲线函数方程：y＝b(x)；

③以第i个叶型截面曲线的重心O_i为离散点，离散点数目为N，采用n阶贝塞尔曲线对旧动叶积叠曲线进行曲线拟合，n≥3；拟合过程中，采用最小二乘法，根据贝塞尔拟合曲线与叶型重心O_i之间误差平方和最小原则，求解贝塞尔曲线控制点P_i，i＝0,1,...,n，并得到贝塞尔曲线阶数n，拟合完成后得到旧动叶积叠曲线SL。

本发明进一步的改进在于，步骤2)的(3)中，具体实现方法如下：

①通过调整原有动叶片第i个叶型截面中弧线C_i的贝塞尔拟合曲线参数，得到小型节能叶片第i个叶型截面中弧线的贝塞尔拟合曲线，完成小型节能叶片第i个叶型截面中弧线C′_i的造型；

小型节能叶片中弧线贝塞尔拟合曲线参数进口几何角为β′_1,i，出口几何角为β′_2,i和叶型弦长Cord′_i按如下公式确定：

式中，ε₁为叶型角度调整系数，ε₂为叶型长度调整系数；

确定了上述参数，就确定了小型节能叶片第i个叶型截面的中弧线C_i前缘点LE′_i、中弧线C_i尾缘点TE′_i、控制点P′_i以及中弧线C′_i的二阶贝塞尔造型曲线；

②基于小型节能叶片第i个叶型截面的中弧线C′_i造型曲线，两侧分别叠加叶型厚度分布，并在叶型截面前缘和尾缘进行前缘圆弧曲线和尾缘圆弧曲线的造型，就确定了小型节能叶片第i个叶型截面的压力面型线PS′_i和吸力面型线SS′_i的造型，进而完成第i个叶型截面的叶型曲线造型；

③将小型节能叶片N个叶型截面的叶型型线沿叶高方向积叠，生成小型节能叶片三维造型，其中叶型型线包括压力面型线PS′_i和吸力面型线SS′_i，i＝1,…,N；根据小型节能叶片第i个叶型截面的叶型型线，确定该叶型截面的叶型重心O′_i，以第1个叶片截面的叶型重心O′₁为起点，将小型节能叶片N个叶型截面的叶型重心O′_i，i＝1,…,N，沿旧动叶积叠曲线SL方向进行排列，这样就确定了N个叶型截面的叶型重心O′_i以及叶型型线的位置；然后，将小型节能叶片第i个叶型截面的叶型型线通过旧动叶积叠曲线SL沿叶高方向积叠，就完成了小型节能叶片的三维造型。

本发明进一步的改进在于，步骤2)的(3)-②中，具体实现方法如下：

首先，根据第(2)步骤得到的原有动叶片第i个叶型截面叶型厚度分布的贝塞尔拟合曲线y＝b(x)，得到该截面叶型厚度分布函数b(x)＝f₁(x),0≤x≤Cord_i，令将叶型厚度分布函数横坐标无量纲化处理，整理得到函数b(k)＝f₂(k),0≤k≤1；将小型节能叶片叶型截面厚度在原有动叶片叶型截面厚度的基础上，乘以一个厚度调整系数ε₃，ε₃∈[0.7,1]，即b(k)＝ε₃·f₂(k),0≤k≤1；令小型节能叶片第i个叶型截面横坐标为x′，叶型截面弦长为Cord′_i，则/>将其整理为小型节能叶片第i个叶型截面叶型厚度分布函数b(x′)＝f₃(x′),0≤x′≤Cord′；这样，就确定了小型节能叶片第i个叶型截面的叶型厚度分布规律；

然后，将上面步骤确定的小型节能叶片第i个叶型截面叶型厚度分布规律叠加于该叶型截面的中弧线C′_i型线上，生成压力面曲线和吸力面曲线；在叶型截面前缘和尾缘分别构造前缘圆弧曲线和尾缘圆弧曲线，前缘圆弧曲线和尾缘圆弧曲线均为一段圆弧，分别与上面生成的压力面曲线和吸力面曲线相切，且在该叶型截面，小型节能叶片前缘圆弧曲线圆弧半径R′_1,i满足：0＜R′_1,i≤5％·Cord′_i；小型节能叶片尾缘圆弧曲线圆弧半径R′_2,i满足：0＜R′_2,i≤3％·Cord′_i；这样，就确定了小型节能叶片第i个叶型截面的压力面型线PS′_i和吸力面型线SS′_i，将压力面型线PS′_i和吸力面型线SS′_i组合在一起，将完成了小型节能叶片第i个叶型截面的叶型型线的构造。

本发明进一步的改进在于，步骤3)中，具体实现方法如下：

(1)改造前、后风机单级动叶叶片数目M保持不变，其中M为偶数，改造后将M/2片叶片更换为小型节能叶片，M/2片原有动叶片保持不变，小型节能叶片与原有叶片依次交替布置；

(2)原有旧叶片第1个叶型截面即叶根截面的叶型重心O₁位于旧叶片底盘的回转中心线上，小型节能叶片第1个叶型截面的叶型重心O′₁位于新叶片底盘的回转中心线上；风机运行过程中，小型节能叶片第1个叶型截面的安装角与原有旧叶片第1个叶型截面的安装角保持一致，同步进行调节。

本发明至少具有如下有益的技术效果：

本发明提供的一种电站动调轴流风机混合叶片设计方法，可以根据用户实际需求，个性化开发定制动调轴流风机小型节能叶片，并将所开发的小型节能叶片与原有动叶片进行混合安装与使用，动调轴流风机混合叶片设计完成后，可以降低风机出力，实现风机深度节能，同时又可以有效改善风机调节性能，扩大风机运行范围，显著提升风机运行经济性和安全性。

附图说明

图1为本发明的三维模型示意图；

图2为本发明的原有动叶片三维模型示意图；

图3为本发明的小型节能叶片三维模型示意图；

图4为本发明的叶型截面中弧线造型示意图；

图5为本发明的叶型截面叶型型线造型示意图。

图1中，1.原有动叶片，2.小型节能叶片，3.轮毂。

图2中，11.旧动叶身，12.旧叶根导圆，13.旧叶片底盘。

R₁₂为旧叶根导圆12的曲率半径，单位为mm。

图3中，21.新动叶身，22.新叶根导圆，23.新叶片底盘。

R₂₂为新叶根导圆22的曲率半径，单位为mm。

图4中均为原始叶片第i叶型截面的中弧线参数，其中，LE_i为叶型前缘点，TE_i为叶型尾缘点，C_i为叶型中弧线型线，P_i为贝塞尔曲线控制点，y＝f(x)为叶型中弧线C_i的拟合曲线函数方程，N_C为叶型中弧线上均匀选取的离散点数目。

β_1,i为叶型前缘进口几何角，β_2,i为叶型尾缘出口几何角，以上单位均为°。

Cord_i为叶型弦长，单位为mm。

图5中均为原始叶片第i叶型截面的造型曲线参数，其中，PS_i为叶型压力面型线，SS_i为叶型吸力面型线，N_P为叶型压力面型线PS_i上均匀选取的离散点数目，N_S为叶型吸力面型线SS_i上均匀选取的离散点数目，叶片前缘点LE_i为坐标原点0，x为叶型中弧线C_i上某一点在x方向距离坐标原点0的距离，b(x)为横坐标x位置对应的叶型厚度分布。

R_1,i为原始叶片前缘圆弧曲线圆弧半径，R_2,i为原始叶片尾缘圆弧曲线圆弧半径，以上单位均为mm。

其中，N为叶片造型的叶型截面总数目，i为叶型截面序号，M为改造前、后风机单级动叶叶片数目，RSD为曲线拟合的标准差。

j为贝塞尔曲线控制点序号，P_j为第j个控制点(j＝0,1,...,n)，n为贝塞尔曲线阶数，t为[0,1]之间的时间参数，B(t)为参数t对应的贝塞尔曲线上点的坐标，B_j,n(t)为n阶Bernstein基函数，为组合数。

q_v1为改造前风机TB点选型参数对应的风机流量，q_v2为改造后风机TB点选型参数对应的风机流量，以上单位均为m³/s。

p_t1为改造前风机TB点选型参数对应的风机全压，p_t2为改造后风机TB点选型参数对应的风机全压，以上单位均为Pa。

SL为叶片积叠曲线，O_i为原有动叶片第i叶型截面的叶型重心。

b(x)＝f₁(x)为原始叶片第i叶型截面的叶型厚度分布函数，b(x)＝f₂(x)为原始叶片第i叶型截面的无量纲化叶型厚度分布函数，b(x)＝f₃(x)为小型节能叶片第i叶型截面的厚度分布函数。

以下参数均为小型节能叶片第i叶型截面的参数：

C′_1,i为叶型中弧线型线，PS′_i为叶型压力面型线，SS′_i为叶型吸力面型线。

β′_1,i为叶型前缘进口几何角，β′_2,i为叶型尾缘出口几何角，以上单位均为°；ε₁为叶型角度调整系数，ε₂为叶型长度调整系数，ε₃为叶型厚度调整系数。

Cord′_i为叶型弦长，R′_1,i为叶型前缘圆弧曲线圆弧半径，R′_2,i为叶型尾缘圆弧曲线圆弧半径，以上单位均为mm。

x′为叶型中弧线C′_1,i上某一点在x方向距离坐标原点0的距离，b(x′)为横坐标x′位置对应的叶型厚度分布，O′_i为叶型重心。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

本发明提供的一种电站动调轴流风机混合叶片设计方法，包括：首先，根据动叶可调式轴流风机节能改造前、后风机选型参数确定风机节能改造技术路线；然后，根据风机节能改造技术路线，给出动叶可调式轴流风机混合叶片设计方法；最后，基于所设计的风机混合叶片，给出混合叶片在轮毂上的布置方式及安装方法。

本发明的具体实现方法如下：

1、根据动叶可调式轴流风机节能改造前、后风机选型参数确定风机节能改造技术路线。动叶可调式轴流风机改造前风机TB点选型参数对应的风机流量为q_v1(单位为m³/s)，风机全压为p_t1(单位为Pa)，风机节能改造后TB点选型参数对应的风机流量为q_v2(单位为m³/s)，风机全压为p_t2(单位为Pa)。当风机改造前、后技术参数满足如下条件时，可以实施动叶可调式轴流风机混合叶片设计：

(1)风机改造前、后风机流量之比满足

(2)风机改造前、后风机全压之比满足

(3)风机改造前单级动叶叶片数M为偶数。

当风机改造前、后技术参数满足上述条件时，通过动叶可调式轴流风机混合叶片设计就可以实现风机节能改造效果，具体实现方法为：

改造前、后风机单级动叶叶片数目M保持不变，改造前单级动叶叶片数M为偶数，改造后将M/2片叶片更换为小型节能叶片，保留原有M/2片叶片，小型节能叶片与原有叶片依次交替布置，混合叶片在轮毂上的布置方式及安装方法如下文所述。

2、确定动叶可调式轴流风机混合叶片设计方法。风机混合叶片设计方法实现方法如下：

(1)如图1所示，风机混合动叶排由原有动叶片1、小型节能叶片2和轮毂3组成。其中，如图2所示，原有动叶片1包括旧动叶身11、旧叶根导圆12和旧叶片底盘13；如图3所示，小型节能叶片2包括新动叶身21、新叶根导圆22和新叶片底盘23。新叶片底盘23与旧叶片底盘13的结构完全一致，新叶根导圆22和旧叶根导圆12均为圆弧曲面，两者的曲率半径保持一致，即R₂₂＝R₁₂，且通常情况R₂₂∈[15,25]mm。新动叶身21曲面是基于旧动叶身11曲面，通过曲面参数化拟合和调整拟合参数重新曲面造型而来的，具体实现方法如下文所述。

(2)对旧动叶身11的曲面进行参数化拟合，获得曲面拟合的控制参数。首先，在极坐标系将旧动叶身11沿叶高方向均匀划分为N个(3≤N≤10，N为整数)叶型截面(第1个截面为叶根截面，第N个截面为叶尖截面)，每个叶型截面曲线由压力面型线PS_i、吸力面型线SS_i组成，通过对压力面型线PS_i、吸力面型线SS_i曲线上的离散点进行曲线拟合的方法，获取每个叶型截面的曲线控制参数；然后，以每个叶型截面曲线的重心O_i为离散点，采用n阶贝塞尔曲线对旧动叶积叠曲线进行拟合，求解得到旧动叶积叠曲线SL以及曲线控制参数。这样，就得到了旧动叶身曲面拟合的控制参数。具体实现方法如下：

①采用二阶贝塞尔曲线，对旧动叶身11第i个(1≤i≤N)叶型截面的中弧线C_i进行曲线拟合(参见图4)。如图4所示，将中弧线C_i水平放置到平面直角坐标系中，中弧线C_i前缘点LE_i为坐标原点(0,0)，中弧线C_i弦长为Cord_i，中弧线C_i尾缘点TE_i坐标为(Cord_i，0)，中弧线C_i上均匀选取N_C个(90≤N_C≤150)离散点，曲线拟合的标准差RSD要求满足RSD≤1E-3，通过二阶贝塞尔曲线拟合求解得到贝塞尔曲线的控制点P_i的坐标以及拟合曲线函数方程：y＝f(x)。然后，根据贝塞尔曲线的控制点P_i以及中弧线C_i前缘点LE_i、中弧线C_i尾缘点TE_i的坐标，可以求解得到第i个叶型截面的进口几何角β_1,i、出口几何角β_2,i以及叶型弦长Cord_i。

②采用n阶(n≥3)贝塞尔曲线，对旧动叶身11第i个叶型截面的压力面型线PS_i、吸力面型线SS_i进行曲线拟合(参见图5)。n阶贝塞尔曲线公式如下：

式中，j为贝塞尔曲线控制点序号，P_j为第j个控制点，j＝0,1,…,n，n为贝塞尔曲线阶数，t为[0,1]之间的时间参数，B(t)为参数t对应的贝塞尔曲线上点的坐标，B_j,n(t)为n阶Bernstein基函数，为组合数，/>

如图5所示，将中弧线C_i水平放置到平面直角坐标系中，中弧线C_i前缘点LE_i为坐标原点(0,0)，中弧线C_i弦长为Cord_i，中弧线C_i尾缘点TE_i坐标为(Cord_i，0)，压力面型线PS_i、吸力面型线SS_i上分别均匀选取N_P、N_S个(100≤N_P＝N_S≤160)离散点。拟合过程中，保持叶片前缘点LE_i、叶片尾缘点TE_i位置不变，采用对中弧线C_i两侧施加相同叶型厚度分布的方式对压力面型线PS_i、吸力面型线SS_i上的离散点进行曲线拟合；采用最小二乘法，根据贝塞尔拟合曲线与中弧线C_i离散点之间误差平方和最小原则，求解贝塞尔曲线控制点P_i，i＝0,1,…,n，并得到贝塞尔曲线阶数n，拟合完成后得到叶型厚度分布的n阶贝塞尔拟合曲线及拟合曲线函数方程：y＝b(x)。

③以第i个叶型截面曲线的重心O_i为离散点，离散点数目为N，采用n阶(n≥3)贝塞尔曲线对旧动叶积叠曲线进行曲线拟合；拟合过程中，采用最小二乘法，根据贝塞尔拟合曲线与叶型重心O_i之间误差平方和最小原则，求解贝塞尔曲线控制点P_i，i＝0,1,…,n，并得到贝塞尔曲线阶数n，拟合完成后得到旧动叶积叠曲线SL。

(3)根据旧动叶身11的曲面参数化拟合结果，确定新叶身21的曲面造型。具体实现方法如下：

①通过调整原有动叶片第i个叶型截面中弧线C_i的贝塞尔拟合曲线参数，得到小型节能叶片第i个叶型截面中弧线的贝塞尔拟合曲线，完成小型节能叶片第i个叶型截面中弧线C′_i的造型。

小型节能叶片中弧线贝塞尔拟合曲线参数进口几何角为β′_1,i，出口几何角为β′_2,i和叶型弦长Cord′_i按如下公式确定：

式中，ε₁为叶型角度调整系数，ε₂为叶型长度调整系数。

确定了上述参数，就确定了小型节能叶片第i个叶型截面的中弧线C_i前缘点LE′_i、中弧线C_i尾缘点TE′_i、控制点P′_i以及中弧线C′_i的二阶贝塞尔造型曲线。

②基于小型节能叶片第i个叶型截面的中弧线C′_i造型曲线，两侧分别叠加叶型厚度分布，并在叶型截面前缘和尾缘进行前缘圆弧曲线和尾缘圆弧曲线的造型，就确定了小型节能叶片第i个叶型截面的压力面型线PS′_i和吸力面型线SS′_i的造型，进而完成第i个叶型截面的叶型曲线造型。具体实现方法如下：

首先，如图5所示，根据第(2)步骤得到的原有动叶片第i个叶型截面叶型厚度分布的贝塞尔拟合曲线y＝b(x)，可以得到该截面叶型厚度分布函数b(x)＝f₁(x),0≤x≤Cord_i，令将叶型厚度分布函数横坐标无量纲化处理，整理得到函数b(k)＝f₂(k),0≤k≤1。将小型节能叶片叶型截面厚度在原有动叶片叶型截面厚度的基础上，乘以一个厚度调整系数ε₃，ε₃∈[0.7,1]，即b(k)＝ε₃·f₂(k),0≤k≤1。令小型节能叶片第i个叶型截面横坐标为x′，叶型截面弦长为Cord′_i，则/> 将其整理为小型节能叶片第i个叶型截面叶型厚度分布函数b(x′)＝f₃(x′),0≤x′≤Cord′。这样，就确定了小型节能叶片第i个叶型截面的叶型厚度分布规律。

然后，将上面步骤确定的小型节能叶片第i个叶型截面叶型厚度分布规律叠加于该叶型截面的中弧线C′_i型线上，生成压力面曲线和吸力面曲线。如图5所示，在叶型截面前缘和尾缘分别构造前缘圆弧曲线和尾缘圆弧曲线，前缘圆弧曲线和尾缘圆弧曲线均为一段圆弧，分别与上面生成的压力面曲线和吸力面曲线相切，且在该叶型截面，小型节能叶片前缘圆弧曲线圆弧半径R′_1,i满足：0＜R′_1,i≤5％·Cord′_i；小型节能叶片尾缘圆弧曲线圆弧半径R′_2,i满足：0＜R′_2,i≤3％·Cord′_i。这样，就确定了小型节能叶片第i个叶型截面的压力面型线PS′_i和吸力面型线SS′_i，将压力面型线PS′_i和吸力面型线SS′_i组合在一起，将完成了小型节能叶片第i个叶型截面的叶型型线的构造。

③将小型节能叶片N个叶型截面的叶型型线(包括压力面型线PS′_i和吸力面型线SS′_i，i＝1,…,N)沿叶高方向积叠，生成小型节能叶片三维造型。根据小型节能叶片第i个叶型截面的叶型型线，可以确定该叶型截面的叶型重心O′_i，以第1个叶片截面的叶型重心O′₁为起点，将小型节能叶片N个叶型截面的叶型重心O′_i(i＝1,…,N)，沿旧动叶积叠曲线SL方向进行排列，这样就确定了N个叶型截面的叶型重心O′_i(i＝1,…,N)以及叶型型线的位置。然后，将小型节能叶片第i个叶型截面的叶型型线通过旧动叶积叠曲线SL沿叶高方向积叠，就完成了小型节能叶片的三维造型。

经过上述步骤，就完成了新叶身21的曲面造型。

3、基于所设计的风机混合叶片，给出混合叶片在轮毂上的布置方式及安装方法。具体实现方法如下：

(1)如图1所示，改造前、后风机单级动叶叶片数目M保持不变(M为偶数)，改造后将M/2片叶片更换为小型节能叶片，M/2片原有动叶片保持不变，小型节能叶片与原有叶片依次交替布置。

(2)原有旧叶片第1个叶型截面(即叶根截面)的叶型重心O₁位于旧叶片底盘13的回转中心线上，小型节能叶片第1个叶型截面(即叶根截面)的叶型重心O′₁位于新叶片底盘23的回转中心线上。风机运行过程中，小型节能叶片第1个叶型截面(即叶根截面)的安装角与原有旧叶片第1个叶型截面的安装角保持一致，同步进行调节。

实施例

国内某600MW机组送风机为单级动叶可调式轴流风机，风机动叶数量为22片，叶轮直径为2660mm电机额定转速为990r/min，风机TB点流量q_v1为232m³/s，TB点压力p_t1为4730Pa，节能改造后，风机TB点流量q_v2为210m³/s，TB点压力p_t2为3400Pa。依次按照下面的步骤实施动调轴流风机混合叶片设计：

1、风机改造前、后风机流量之比满足风机改造前、后风机全压之比满足/>风机改造前单级动叶叶片数M＝22为偶数，满足本发明的实施条件，因此，采用动调轴流风机混合叶片设计方法实施风机节能改造。

2、按照本发明的方法，改造前、后风机单级动叶叶片数目M＝22保持不变，改造后将M/2＝11片叶片更换为小型节能叶片，保留原有M/2＝11片叶片，小型节能叶片与原有叶片依次交替布置。

3、对旧叶身11的曲面进行参数化拟合，获得曲面拟合的控制参数。

(1)选取N＝7，在极坐标系下将旧动叶身11沿叶高方向均匀划分为7个叶型截面。具体实现方法如下：

(2)采用二阶贝塞尔曲线，对旧动叶身11第i个(1≤i≤7)叶型截面的中弧线C_i进行曲线拟合，中弧线C_i上均匀选取N_C＝100个(90≤N_C≤150)离散点，曲线拟合的标准差RSD要求满足RSD≤1E-3，拟合完成后，就得到了第i叶型截面中弧线C_i的贝塞尔曲线控制点P_i以及前缘点LE_i、C_i尾缘点TE_i的坐标，以及该叶型截面的进口几何角β_1,i、出口几何角β_2,i以及叶型弦长Cord_i。

(3)采用n阶(n≥3)贝塞尔曲线，对旧动叶身11第i个叶型截面的压力面型线PS_i、吸力面型线SS_i进行曲线拟合。拟合过程中，叶型压力面型线PS_i、吸力面型线SS_i上分别均匀选取N_P＝N_S＝120个离散点。拟合完成后，得到叶型型线贝塞尔曲线控制点P_i，i＝0,1,...,n，叶型厚度分布的n阶贝塞尔拟合曲线以及拟合曲线函数方程：y＝b(x)。

(4)以第i个叶型截面曲线的重心O_i为离散点，离散点数目为N＝7，采用n阶(n≥3)贝塞尔曲线对旧动叶积叠曲线进行曲线拟合，拟合完成后得到旧动叶积叠曲线SL，以及该曲线的贝塞尔曲线控制点P_i，i＝0,1,...,n和贝塞尔曲线阶数n。

4、根据旧动叶身11的曲面参数化拟合结果，确定新叶身21的曲面造型。

(1)通过调整原有动叶片第i个叶型截面中弧线C_i的贝塞尔拟合曲线参数，得到小型节能叶片第i个叶型截面中弧线的贝塞尔拟合曲线，完成小型节能叶片第i个叶型截面中弧线C′_i的造型，实施过程中，叶型角度调整系数ε₁＝0.7，叶型长度调整系数ε₂＝0.7。

(2)基于小型节能叶片第i个叶型截面的中弧线C′_i造型曲线，两侧分别叠加叶型厚度分布，并在叶型截面前缘和尾缘进行前缘圆弧曲线和尾缘圆弧曲线的造型，就确定了小型节能叶片第i个叶型截面的压力面型线PS′_i和吸力面型线SS′_i的造型，进而完成第i个叶型截面的叶型曲线造型。实施过程中，叶型厚度调整系数ε₃＝0.9，前缘圆弧曲线圆弧半径R′_1,i＝3.5％·Cord′_i，尾缘圆弧曲线圆弧半径R′_2,i＝2.5％·Cord′_i。

(3)将小型节能叶片N＝7个叶型截面的叶型型线(包括压力面型线PS′_i和吸力面型线SS′_i，i＝1,…,N)沿叶高方向积叠，生成小型节能叶片三维造型。这样，就完成了新叶身21的曲面造型。

5、基于本发明的发明，参考原有动叶片1的旧叶根导圆12和旧叶片底盘13尺寸，完成小型节能叶片2的新叶根导圆22和新叶片底盘23的造型设计。其中，新叶根导圆22曲率半径R₂₂和旧叶根导圆12曲率半径R₁₂满足R₂₂＝R₁₂＝20mm。经过上面的步骤，就完成了小型节能叶片2的三维造型。

6、基于所设计的小型节能叶片和原有动叶片，确定混合叶片在轮毂上的布置方式及安装方法。具体实现方法如下：

(1)改造前、后风机单级动叶叶片数目M＝22保持不变，改造后将M/2＝11片叶片更换为小型节能叶片，M/2＝11片原有动叶片保持不变，小型节能叶片与原有叶片依次交替布置。

(2)原有旧叶片第1个叶型截面(即叶根截面)的叶型重心O₁位于旧叶片底盘13的回转中心线上，小型节能叶片第1个叶型截面(即叶根截面)的叶型重心O′₁位于新叶片底盘23的回转中心线上。风机运行过程中，小型节能叶片第1个叶型截面(即叶根截面)的安装角与原有旧叶片第1个叶型截面的安装角保持一致，同步进行调节。

经过上面的步骤，就完成了动调轴流风机混合叶片的造型与设计。所设计的混合叶片应用于动调轴流风机后，风机不仅可以满足节能改造后新选型工况点的出力要求，而且风机综合能耗降低了10％以上，风机运行经济性和设备适用性得到了显著提升，本次风机节能改造效果显著。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (9)

1.一种电站动调轴流风机混合叶片设计方法，其特征在于，包括：

首先，根据动叶可调式轴流风机节能改造前、后风机选型参数确定风机节能改造技术路线；然后，根据风机节能改造技术路线，给出动叶可调式轴流风机混合叶片设计方法；最后，基于所设计的风机混合叶片，给出混合叶片在轮毂上的布置方式及安装方法。

2.根据权利要求1所述的一种电站动调轴流风机混合叶片设计方法，其特征在于，该方法具体实现方法如下：

1)根据动叶可调式轴流风机节能改造前、后风机选型参数确定风机节能改造技术路线；动叶可调式轴流风机改造前风机TB点选型参数对应的风机流量为q_v1，单位为m³/s，风机全压为p_t1，单位为Pa，风机节能改造后TB点选型参数对应的风机流量为q_v2，单位为m³/s，风机全压为p_t2，单位为Pa；当风机改造前、后技术参数满足预设条件时，实施动叶可调式轴流风机混合叶片设计；

当风机改造前、后技术参数满足预设条件时，通过动叶可调式轴流风机混合叶片设计实现风机节能改造效果；

2)确定动叶可调式轴流风机混合叶片设计方法，具体实现方法如下：

(1)风机混合动叶排由原有动叶片、小型节能叶片和轮毂组成；其中，原有动叶片包括旧动叶身、旧叶根导圆和旧叶片底盘，小型节能叶片包括新动叶身、新叶根导圆和新叶片底盘；新叶片底盘与旧叶片底盘的结构完全一致，新叶根导圆和旧叶根导圆均为圆弧曲面，两者的曲率半径保持一致，即R₂₂＝R₁₂，且R₂₂∈[15,25]mm；新动叶身曲面是基于旧动叶身曲面，通过曲面参数化拟合和调整拟合参数重新曲面造型而来的；

(2)对旧动叶身的曲面进行参数化拟合，获得曲面拟合的控制参数；

(3)根据旧动叶身的曲面参数化拟合结果，确定新叶身的曲面造型；

3)基于所设计的风机混合叶片，给出混合叶片在轮毂上的布置方式及安装方法。

3.根据权利要求2所述的一种电站动调轴流风机混合叶片设计方法，其特征在于，步骤1)中，风机改造前、后技术参数需要满足的预设条件为：

风机改造前、后风机流量之比满足

风机改造前、后风机全压之比满足

风机改造前单级动叶叶片数M为偶数。

4.根据权利要求3所述的一种电站动调轴流风机混合叶片设计方法，其特征在于，步骤1)中，通过动叶可调式轴流风机混合叶片设计实现风机节能改造效果，具体实现方法为：

改造前、后风机单级动叶叶片数目M保持不变，改造前单级动叶叶片数M为偶数，改造后将M/2片叶片更换为小型节能叶片，保留原有M/2片叶片，小型节能叶片与原有叶片依次交替布置。

5.根据权利要求2所述的一种电站动调轴流风机混合叶片设计方法，其特征在于，步骤2)的(2)中，首先，在极坐标系将旧动叶身沿叶高方向均匀划分为N个叶型截面，其中3≤N≤10，N为整数，第1个截面为叶根截面，第N个截面为叶尖截面，每个叶型截面曲线由压力面型线PS_i、吸力面型线SS_i组成，通过对压力面型线PS_i、吸力面型线SS_i曲线上的离散点进行曲线拟合的方法，获取每个叶型截面的曲线控制参数；然后，以每个叶型截面曲线的重心O_i为离散点，采用n阶贝塞尔曲线对旧动叶积叠曲线进行拟合，求解得到旧动叶积叠曲线SL以及曲线控制参数。

6.根据权利要求5所述的一种电站动调轴流风机混合叶片设计方法，其特征在于，步骤2)的(2)中，具体实现方法如下：

①采用二阶贝塞尔曲线，对旧动叶身11第i个叶型截面的中弧线C_i进行曲线拟合，其中1≤i≤N，将中弧线C_i水平放置到平面直角坐标系中，中弧线C_i前缘点LE_i为坐标原点(0,0)，中弧线C_i弦长为Cord_i，中弧线C_i尾缘点TE_i坐标为(Cord_i，0)，中弧线C_i上均匀选取N_C个离散点，其中90≤N_C≤150，曲线拟合的标准差RSD满足RSD≤1E-3，通过二阶贝塞尔曲线拟合求解得到贝塞尔曲线的控制点P_i的坐标以及拟合曲线函数方程：y＝f(x)；然后，根据贝塞尔曲线的控制点P_i以及中弧线C_i前缘点LE_i、中弧线C_i尾缘点TE_i的坐标，求解得到第i个叶型截面的进口几何角β_1,i、出口几何角β_2,i以及叶型弦长Cord_i；

②采用n阶贝塞尔曲线，n≥3，对旧动叶身11第i个叶型截面的压力面型线PS_i、吸力面型线SS_i进行曲线拟合；n阶贝塞尔曲线公式如下：

式中，j为贝塞尔曲线控制点序号，P_j为第j个控制点，j＝0,1,...,n，n为贝塞尔曲线阶数，t为[0,1]之间的时间参数，B(t)为参数t对应的贝塞尔曲线上点的坐标，B_j,n(t)为n阶Bernstein基函数，为组合数，/>

将中弧线C_i水平放置到平面直角坐标系中，中弧线C_i前缘点LE_i为坐标原点(0,0)，中弧线C_i弦长为Cord_i，中弧线C_i尾缘点TE_i坐标为(Cord_i，0)，压力面型线PS_i、吸力面型线SS_i上分别均匀选取N_P、N_S个离散点，100≤N_P＝N_S≤160，拟合过程中，保持叶片前缘点LE_i、叶片尾缘点TE_i位置不变，采用对中弧线C_i两侧施加相同叶型厚度分布的方式对压力面型线PS_i、吸力面型线SS_i上的离散点进行曲线拟合；采用最小二乘法，根据贝塞尔拟合曲线与中弧线C_i离散点之间误差平方和最小原则，求解贝塞尔曲线控制点P_i，i＝0,1,...,n，并得到贝塞尔曲线阶数n，拟合完成后得到叶型厚度分布的n阶贝塞尔拟合曲线及拟合曲线函数方程：y＝b(x)；

③以第i个叶型截面曲线的重心O_i为离散点，离散点数目为N，采用n阶贝塞尔曲线对旧动叶积叠曲线进行曲线拟合，n≥3；拟合过程中，采用最小二乘法，根据贝塞尔拟合曲线与叶型重心O_i之间误差平方和最小原则，求解贝塞尔曲线控制点P_i，i＝0,1,...,n，并得到贝塞尔曲线阶数n，拟合完成后得到旧动叶积叠曲线SL。

7.根据权利要求6所述的一种电站动调轴流风机混合叶片设计方法，其特征在于，步骤2)的(3)中，具体实现方法如下：

①通过调整原有动叶片第i个叶型截面中弧线C_i的贝塞尔拟合曲线参数，得到小型节能叶片第i个叶型截面中弧线的贝塞尔拟合曲线，完成小型节能叶片第i个叶型截面中弧线C′_i的造型；

小型节能叶片中弧线贝塞尔拟合曲线参数进口几何角为β′_1,i，出口几何角为β′_2,i和叶型弦长Cord′_i按如下公式确定：

式中，ε₁为叶型角度调整系数，ε₂为叶型长度调整系数；

确定了上述参数，就确定了小型节能叶片第i个叶型截面的中弧线C_i前缘点LE′_i、中弧线C_i尾缘点TE′_i、控制点P′_i以及中弧线C′_i的二阶贝塞尔造型曲线；

②基于小型节能叶片第i个叶型截面的中弧线C′_i造型曲线，两侧分别叠加叶型厚度分布，并在叶型截面前缘和尾缘进行前缘圆弧曲线和尾缘圆弧曲线的造型，就确定了小型节能叶片第i个叶型截面的压力面型线PS′_i和吸力面型线SS′_i的造型，进而完成第i个叶型截面的叶型曲线造型；

③将小型节能叶片N个叶型截面的叶型型线沿叶高方向积叠，生成小型节能叶片三维造型，其中叶型型线包括压力面型线PS′_i和吸力面型线SS′_i，i＝1,…,N；根据小型节能叶片第i个叶型截面的叶型型线，确定该叶型截面的叶型重心O′_i，以第1个叶片截面的叶型重心O′₁为起点，将小型节能叶片N个叶型截面的叶型重心O′_i，i＝1,…,N，沿旧动叶积叠曲线SL方向进行排列，这样就确定了N个叶型截面的叶型重心O′_i以及叶型型线的位置；然后，将小型节能叶片第i个叶型截面的叶型型线通过旧动叶积叠曲线SL沿叶高方向积叠，就完成了小型节能叶片的三维造型。

8.根据权利要求7所述的一种电站动调轴流风机混合叶片设计方法，其特征在于，步骤2)的(3)-②中，具体实现方法如下：

首先，根据第(2)步骤得到的原有动叶片第i个叶型截面叶型厚度分布的贝塞尔拟合曲线y＝b(x)，得到该截面叶型厚度分布函数b(x)＝f₁(x),0≤x≤Cord_i，令将叶型厚度分布函数横坐标无量纲化处理，整理得到函数b(k)＝f₂(k),0≤k≤1；将小型节能叶片叶型截面厚度在原有动叶片叶型截面厚度的基础上，乘以一个厚度调整系数ε₃，ε₃∈[0.7,1]，即b(k)＝ε₃·f₂(k),0≤k≤1；令小型节能叶片第i个叶型截面横坐标为x′，叶型截面弦长为Cord′_i，则/>将其整理为小型节能叶片第i个叶型截面叶型厚度分布函数b(x′)＝f₃(x′),0≤x′≤Cord′；这样，就确定了小型节能叶片第i个叶型截面的叶型厚度分布规律；

然后，将上面步骤确定的小型节能叶片第i个叶型截面叶型厚度分布规律叠加于该叶型截面的中弧线C′_i型线上，生成压力面曲线和吸力面曲线；在叶型截面前缘和尾缘分别构造前缘圆弧曲线和尾缘圆弧曲线，前缘圆弧曲线和尾缘圆弧曲线均为一段圆弧，分别与上面生成的压力面曲线和吸力面曲线相切，且在该叶型截面，小型节能叶片前缘圆弧曲线圆弧半径R′_1,i满足：0＜R′_1,i≤5％·Cord′_i；小型节能叶片尾缘圆弧曲线圆弧半径R′_2,i满足：0＜R′_2,i≤3％·Cord′_i；这样，就确定了小型节能叶片第i个叶型截面的压力面型线PS′_i和吸力面型线SS′_i，将压力面型线PS′_i和吸力面型线SS′_i组合在一起，将完成了小型节能叶片第i个叶型截面的叶型型线的构造。

9.根据权利要求8所述的一种电站动调轴流风机混合叶片设计方法，其特征在于，步骤3)中，具体实现方法如下：

(1)改造前、后风机单级动叶叶片数目M保持不变，其中M为偶数，改造后将M/2片叶片更换为小型节能叶片，M/2片原有动叶片保持不变，小型节能叶片与原有叶片依次交替布置；

(2)原有旧叶片第1个叶型截面即叶根截面的叶型重心O₁位于旧叶片底盘的回转中心线上，小型节能叶片第1个叶型截面的叶型重心O′₁位于新叶片底盘的回转中心线上；风机运行过程中，小型节能叶片第1个叶型截面的安装角与原有旧叶片第1个叶型截面的安装角保持一致，同步进行调节。