CN1828024A - 提高能量转换效率的叶轮机械叶片设计方法 - Google Patents

提高能量转换效率的叶轮机械叶片设计方法 Download PDF

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Abstract

一种提高能量转换效率的叶轮机械叶片设计方法，属于叶轮机械领域，其特征在于在叶片端部区设置孔隙，将叶片的背弧低压区与压力高于背弧低压区的高压区之间连通，平衡叶片端部内弧和背弧的压差；所述的高压区包括叶片间的流道、叶片表面、静叶片的内环表面、静叶片的外环表面、动叶片围带表面和叶根表面。本发明一方面可以缓减端壁区内弧和背弧的压差，下降端部的压力损失；另一方面，引向背弧的流体影响了主流区叶型表面的压力分布，并向有利于降低叶型损失的方向变化，最终提高了叶轮机械的能量转换效率。本发明可广泛适用于以流体为工质的，各种轴流式、径流式和混流式叶轮机械领域，如汽轮机、燃气轮机、水轮机、压缩机和泵等。

Description

提高能量转换效率的叶轮机械叶片设计方法
技术领域：
本发明涉及一种提高能量转换效率的叶轮机械叶片设计方法，属于叶轮机械领域。
背景技术：
叶轮机械是以流体为工质的高速旋转机械。其功能是使流体的压力和流速升高或降低，以满足某种需要，应用最普遍的有汽轮机、燃气轮机、水轮机、压缩机和泵类等。流体通过叶轮机械时，在其状态改变的同时也实现了功和能的转换，这些都由叶片完成，所以叶片是叶轮机械的心脏。如附图1中所示，叶片可分静叶片1和动叶片2。静叶片1设在静子3上；动叶片设在转子4上。现有技术中，叶轮机械的能量转换效率约为75-93％，即能量损失占7-25％。叶轮机械能量的损失主要包括两部分：叶型损失和端部损失。下面以气轮机为例，说明造成能量损失的主要原因。
如附图1、附图2(a)、附图2(b)、附图2(c)中所示，一方面流体流经叶片时，产生叶型损失，叶片的内弧10和背弧11的压力分布与叶型损失密切相关；另一方面在端壁区附面层内，流体流速很低，惯性力平衡不了压差，流体在由上游流向下游的同时，也从内弧流向相邻叶片的背弧，并与背弧相撞，在角隅处形成旋涡，从而导致端部损失增加。图中5为叶高向间隙区；7为叶片进气边，8为叶片出气边。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种提高能量转换效率的叶轮机械叶片设计方法，可以使得叶轮机械叶片内弧和背弧的压力分布有利于下降叶型损失，并且可以减少端壁内弧和背弧的压差，以削弱端壁旋涡强度，从而下降端部损失。
本发明的目的是这样实现的：
一种提高能量转换效率的叶轮机械叶片设计方法，在叶片端部区设置孔隙，将叶片的背弧低压区与压力高于背弧低压区的高压区之间连通，平衡叶片端部内弧和背弧的压差；所述的高压区包括叶片间的流道、叶片表面、静叶片的内环表面、静叶片的外环表面、动叶片围带表面和叶根表面；所述的端部区包括：沿叶片高度方向、距内外端壁20％叶高范围内的流道和壁面、以及内环、外环、叶根和围带。
在叶片流道内、外壁各设置一块消涡端板，与内、外端壁构成孔隙，通过孔隙将进口高压区、端壁高压区和背弧低压区相连通；在所述的消涡端板上设置平衡孔。
在所述的叶片内部设置内消涡端孔或在内端壁和外端壁上设置端壁消涡孔，构成周向消涡端孔；所述的周向消涡端孔可以是显示周向消涡端孔，或隐式周向消涡端孔，或混合式周向消涡端孔。
在背弧端壁区与内弧端壁区附近沿叶高方向设置孔隙，构成叶高向消涡孔；所述的背弧区的叶高向消涡孔尽量靠近背弧；内弧区的叶高向消涡孔与内弧之间可有距离。
在所述叶片的叶根部位设置有叶根消涡孔，其高压区为叶片中间的缝隙，直达出气边。
本发明由于在叶片端部设置孔隙，将高压区的流体引向叶片端部背弧低压区，一方面可以缓减端壁区内弧和背弧的压差，下降端部的压力损失；另一方面，引向背弧的流体影响了主流区叶型表面的压力分布，并向有利于降低叶型损失的方向变化。最终提高了叶轮机械的能量转换效率。本发明可广泛的适用于所有以流体为工质的，各种轴流式、径流式和混流式叶轮机械领域，如汽轮机、燃气轮机、水轮机、压缩机和泵等。
附图说明：
附图1为叶轮机械中气轮机的通流部分示意图
附图2(a)为叶轮机械主流区的流谱图
附图2(b)为叶轮机械叶高向间隙区示意图
附图2(c)为叶轮机械叶片内弧、背弧和叶高向间隙区的压力分布图
附图3为本发明各种消涡端板和消涡孔隙在叶片中的位置示意图
附图4(a)为本发明消涡端板示意图
附图4(b)为本发明附图4(a)的A-A剖视图
附图5(a)为本发明围带结构中的周向消涡孔示意图
附图5(b)为本发明附图5(a)的B-B剖视图
附图5(c)为本发明附图5(a)的C-C剖视图
附图6(a)本发明拼焊结构中的周向消涡孔示意图
附图6(b)为本发明附图6(a)的B-B剖视图
附图6(c)为本发明附图6(a)的C-C剖视图
附图7(a)为本发明拼焊结构中端壁周向消涡孔的示意图
附图7(b)为本发明附图7(a)的B-B剖视图
附图8(a)为本发明叶高向消涡端孔示意图
附图8(b)为本发明附图8(a)的E-E剖视图
附图9(a)为本发明叶根消涡孔示意图
附图9(b)为本发明附图9(a)的剖面图
附图9(c)为本发明附图9(b)的F-F剖面图
具体实施方式：
下面以上述附图为本发明的实施例，对本发明进行进一步的说明：
本发明的技术方案是在叶片端部区设置孔隙，将叶片的背弧低压区与压力高于背弧低压区的高压区之间连通，平衡叶片端部内弧和背弧的压差。所述的高压区包括叶片间的流道、叶片表面、静叶片的内环20表面、静叶片的外环21表面、动叶片围带18表面和叶根37表面。实际上常用的高压区只有如下几部分：第一部分是叶片进口区30或出口区39；第二部分是端部区，即沿叶片高度方向、距内外端壁20％叶高范围内的流道和壁面，以及内环20、外环21、叶根37和围带18；第三部分则是叶高向间隙区5。
实施例1：如附图3、附图4(a)和附图4(b)中所示
附图3中仅仅是集中给出了各种消涡端板和消涡孔隙在叶片中的位置示意，在实际工程应用中，同一级叶片只需要采用一种消涡端板或消涡孔隙。
本实施例中，在叶片流道内、外壁各设置一块消涡端板22，与内、外端壁构成孔隙34，通过孔隙34将进口高压区30、端壁高压区31和背弧低压区33相连通；在所述的消涡端板22上设置平衡孔32。于是端壁内弧和背弧压差减小，难以形成强烈的端壁旋涡。
实施例2：如附图3、附图5(a)、附图5(b)、附图5(c)、附图6(a)、附图6(b)、附图6(c)、附图7(a)、附图7(b)中所示：
在本实施例中给出了各种周向消涡端孔的设置方式，在所述的叶片内部设置内消涡端孔23、24、25，附图5给出了内周向消涡端孔在叶片中的位置；还可以在内端壁27和外端壁28上设置端壁消涡孔26，构成周向消涡端孔。如附图3、附图7(a)、附图7(b)所示，所述的周向消涡端孔可以是显示周向消涡端孔23，或隐式周向消涡端孔24，或混合式内周向消涡端孔25。图中30为进口高压区。
实施例3：如附图8(a)、附图8(b)中所示
本实施例中给出了叶高向消涡孔的设置方式。从附图2(c)中可以看出各部分压力沿流向的分布情况，图中12为内弧压力分布，13为背弧压力分布，14为叶高向间隙区压力分布。附图8(a)中18是动叶围带，5为叶高向间隙区。在背弧11端壁区与内弧10端壁区附近沿叶高方向设置孔隙35、36，构成叶高向消涡孔；背弧区叶高向消涡孔36尽量靠近背弧壁面；内弧区的叶高向消涡孔与内弧壁面35之间可有一定的距离。如附图2(b)、附图2(c)所示，由于叶高向间隙中的压力低于内弧压力，高于背弧压力，内弧高压流体由消涡孔流进间隙区，而间隙区流体又通过背弧消涡孔流入背弧低压区，同样可以平衡端壁压差。
实施例4：如附图9(a)、附图9(b)、附图9(c)中所示
本实施例为叶根消涡孔，其设置方式用于带有叶根的叶片，如反动式汽轮机和气体压缩机叶片。图9所示为轴流式压缩机的静叶片，在所述叶片的叶根部位37设置有叶根消涡孔38，其高压区39为叶片中间的缝隙，直达出气边8。

Claims (5)

1、一种提高能量转换效率的叶轮机械叶片设计方法，其特征在于在叶片端部区设置孔隙，将叶片的背弧低压区与压力高于背弧低压区的高压区之间连通，平衡叶片端部内弧和背弧的压差；所述的高压区包括叶片间的流道、叶片(1、2)表面、静叶片的内环(20)表面(20)、静叶片的外环(21)表面、动叶片围带(18)表面和叶根(37)表面；所述的端部区包括：沿叶片高度方向、距内外端壁20％叶高范围内的流道和壁面，以及内环(20)、外环(21)、叶根(37)和围带(18)。
2、如权利要求1中所述的提高能量转换效率的叶轮机械叶片设计方法，其特征在于在叶片流道内、外端壁(27、28)各设置一块消涡端板(22)，与内、外端壁构成孔隙(34)，通过孔隙(34)将进口高压区(30)、端壁高压区(31)和背弧低压区(33)相连通；在所述的消涡端板(22)上设置平衡孔(32)。
3、如权利要求1中所述的提高能量转换效率的叶轮机械叶片设计方法，其特征在于在所述的叶片内部设置内消涡端孔(23、24、25)或在内端壁(27)和外端壁(28)上设置端壁消涡孔(26)，构成周向消涡端孔；所述的周向消涡端孔可以是显示周向消涡端孔(23)，或隐式周向消涡端孔(24)，或混合式周向消涡端孔(25)。
4、如权利要求1中所述的提高能量转换效率的叶轮机械叶片设计方法，其特征在于在背弧(11)端壁区与内弧(10)端壁区附近，沿叶高方向设置孔隙(35、36)，构成叶高向消涡孔；所述的背弧区的叶高向消涡孔(36)尽量靠近背弧；内弧区的叶高向消涡孔(35)与内弧(10)之间可有距离。
5、如权利要求1中所述的提高能量转换效率的叶轮机械叶片设计方法，其特征在于在所述叶片的叶根部位(37)设置有叶根消涡孔(38)，其高压区(39)为叶片中间的缝隙，直达出气边(8)。
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