CN2288271Y - 一种冲动式涡轮机弯扭静叶栅 - Google Patents

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朱斌
徐星仲
黄伟光
蔡虎
张冬阳
王仲奇
徐文远
宋彦萍
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Abstract

本实用新型提出了一种主要用于各类冲动式涡轮机,特别是用于冲动式汽轮机亚音速级的弯扭静叶栅。其主要特征是静叶片在常规直叶片积迭成型的基础上,叶片中部在圆周方向上有弯曲,同时叶片中部还围绕指定的叶型扭转中心线有扭转,由此得到三维空间弯扭造型的静叶片,若干个静叶片即构成本实用新型弯扭静叶栅。本实用新型弯扭静叶栅内的气动热力学损失比传统的直叶片、扭叶片叶栅大幅度降低,从而使级效率和整机效率明显提高。

Description

一种冲动式涡轮机弯扭静叶栅
本实用新型涉及一种主要用于各类冲动式涡轮机，特别是用于冲动式汽轮机亚音速级的弯扭静叶栅。
涡轮机主要是指蒸汽轮机、燃气轮机和航空发动机等一类以气体膨胀作功产生动力的能源动力设备，在国民经济各个领域广泛应用。冲动式涡轮机在涡轮机中占很大比例，特别是在火力发电用蒸汽轮机中，冲动式汽轮机占一半以上。
冲动式涡轮机的能量转换部件，主要包括：固定在转轴轮盘上的若干排动叶片，和固定在外壳隔板上的若干排静叶片。静叶片与动叶片间隔布置，高温、高压、高速流动的气体穿过由静叶片和动叶片形成的气流通道时，逐级膨胀作功，推动动叶带动转轴高速旋转，对外输出机械功。
气体流过气流通道时，会产生各种气动热力学损失，该损失的大小直接与涡轮机效率相关。由两排相邻静叶片和动叶片构成的气流通道称为涡轮机的级，在级的气动热力学损失中，静叶片部分占很大比例。
由同一排静叶片构成的通流部件称为静叶栅，静叶栅通道的三维空间形状设计过程称为静叶栅造型，静叶栅造型的优劣直接与气动热力学损失大小相关。
在已公知技术中，静叶栅有多种造型技术方案，下面结合附图作简要介绍。
图1是一个典型的冲动式汽轮机亚音速级在轴向Z-径向R平面(又称子午面)上的形状。
图2是图1的K向投影图。
图1所示出的冲动式汽轮机亚音速级的气体流动特点是，该级内部流场任何一点的气流速度均小于当地音速，即全场为亚音速流动。作为冲动式汽轮机，由静叶片1构成的静叶栅2内的焓降占该级焓降的绝大部分。处于静叶栅2下游，由动叶片3构成的动叶栅4的叶片，可以是直叶片，也可以是扭叶片。该级子午流道内壁5、外壁6，根据子午面设计的要求可以具有一定斜度，此时内外壁流道的斜角分别表示为γ1与γ2。若内外壁为圆柱面形状，则γ1＝γ2＝0。叶片在子午面上投影宽度称为叶片的轴向宽度，分别以Bs(静叶)和Br(动叶)表示。沿叶片高度方向静、动叶片的轴向宽度可以是常数，也可以不是常数。叶片中线在子午面上的投影高度称为叶片高度，分别以Hs(静叶)和Hr(动叶)表示。
图2所示出的静、动叶栅在某一个半径上r叶片截面的形状，称为叶型。静叶片1的叶型由吸力面11和压力面12构成。动叶片3的叶型由吸力面21和压力面22构成。静、动叶型的弦线分别为13(静叶)和23(动叶)，弦线长度称为弦长bs(静叶)和br(动叶)，相邻二个叶型之间沿圆周方向的距离称为节距ts(静叶)和tr(动叶)。弦线与节距方向之间的夹角称为叶型安装角βs(静叶)和βr(动叶)。叶型所有内切圆圆心的连线称为叶型中弧线14(静叶)和24(动叶)。在任意一个叶型高度上(其特征尺寸为该叶型截面所在半径r)，当上述各项参数都选定之后，静、动叶栅的空间几何尺寸及形状特征即被确定了。在不同的半径r处，静、动叶栅气流通道各有一个最小截面宽度，分别称为喉部Os(静叶栅)和Or(动叶栅)，其位置在叶栅的出口处。
根据已公知技术，构成常规静叶栅的常规静叶片造型，具有以下三类主要技术特征：
1、不同半径处叶型完全相同，并且安装角也相同，称为等截面直叶片。
2、不同半径处叶型完全相同，但安装角不同，称为等截面扭叶片。
3、不同半径处叶型和安装角都不同，称为变截面扭叶片。
根据已公知技术方案造型的具有以上某一类主要技术特征的常规静叶片，以及由其构成的常规静叶栅，目前已在冲动式涡轮机(包括汽轮机)中广泛应用，但工程实践表明，其叶栅内部存在较大的气动热力学损失，其中二次流损失占较大比例，因而导致涡轮机级和整机的效率较低。
本实用新型的目的，是在常规静叶片造型基础上，提出一种具有弯曲扭转联合造型技术特征的静叶片，以及由其构成的弯扭静叶栅，可以提高静叶栅的气动热力学性能，继而提高涡轮机效率。
本实用新型的目的是这样实现的：在轴向Z-径向R-圆周方向所构成的三维空间内，在常规静叶片造型的基础上，进一步使静叶片中部沿圆周方向弯曲并且绕径向轴扭转，由此构造出全新的三维空间弯曲扭转联合造型的静叶片，若干个静叶片即构成本实用新型提出的弯扭静叶栅。
本实用新型弯扭静叶栅内部的气动热力学损失较小，与以往常规设计的静叶栅相比有较大幅度降低，这主要是因为弯扭静叶栅对二次流有较强的抑制、延缓与削弱作用。另外，弯扭静叶栅还可以改善静、动叶片之间的匹配关系，进一步降低流动损失，因而涡轮机级效率和整机效率得以显著提高。
图3是静叶片弯曲造型示意图。
图4是静叶片扭转造型示意图。
图5是本实用新型弯扭静叶栅外观示意图。
下面结合附图，对本实用新型的技术方案及实施例的技术特征作详细说明。
按照本实用新型，构成弯扭静叶栅2的静叶片1同时具有下列主要技术特征：
1、如图3所示，在不同的叶型高度上(即不同的半径r处)，静叶片1的叶型先按已公知的常规方法积迭成直叶片，然后将直叶片中部沿着圆周方向弯曲，由此形成的叶片，其特征是静叶片1的叶型在圆周方向上，顺着动叶片3的旋转方向u整体平移，平移量为Δ1。当然，沿叶型高度方向不同位置上的Δ1值是不同的，Δ1值由小到大，再由大到小连续变化。叶型平移量Δ1与叶片高度Hs之比Δ1/Hs称为叶片弯曲量，叶片最大弯曲量出现在叶片中部。上述方法称为叶片的弯曲造型。
2、如图4所示，在不同的叶型高度上(即不同的半径r处)，静叶片1的叶型经平移之后，再围绕一个指定的叶型扭转中心按一定方向扭转，由此形成的叶片，其特征是静叶片1的叶型安装角βs因叶型扭转发生改变，叶型的扭转方向如n所示，扭转中心15位于叶型后半部分的叶片中弧线14上。与叶型安装角βs的变化相对应，叶型出汽边16在平移量Δ1的基础上，顺着动叶片3的旋转方向u，又产生了一个扭转位移量Δ2。很明显，在不同的叶型高度上，当叶型的扭转程度不同时，当地的βs是不同的，因而Δ2的值也是不同的，Δ2的值也是由小到大，再由大到小连续变化的。叶型出汽边16扭转位移量Δ2与叶片高度Hs之比Δ2/Hs称为叶片扭转量，叶片最大扭转量也是出现在叶片中部。上述方法称为叶片的扭转造型。
3、如图5所示，将上述的弯曲造型与扭转造型联合运用，在静叶片1不同的叶型高度上，一系列叶型平移量Δ1和位移量Δ2相互迭加的结果，即可获得弯曲扭转联合造型的静叶片1。若干个静叶片1即构成本实用新型提出的弯扭静叶栅2。
本实用新型提出的弯扭静叶栅的实施例，是用于200MW、100MW大型冲动式汽轮机亚音速级的重新设计，与产品结构尺寸相适应，新设计的各级弯扭静叶栅2具有下列的参数范围：
1、级的子午面形状：
根部：r＝400～600毫米，γ1＝-4°～6°
顶部：r＝450～900毫米，γ2＝0°～20°
2、静叶片1叶型：
bs＝42～140毫米，  Bs＝30～90毫米
3、沿叶型高度静叶片1弯曲与扭转规律
弯曲：最大弯曲量Δ1max为叶片高度Hs的4～8％，且最大弯曲量出现在叶片高度Hs的40～60％处。
扭转：最大扭转量Δ2max为叶片高度Hs的0.8～2.0％，且最大扭转量出现在叶片高度Hs的40～60％处，叶型扭转中心15选取在叶型后半部分50～90％弦长bs范围之内的叶片中弧线14上。
4.弯扭静叶栅2造型：
Os/ts＝0.174～0.326，或Sin-1(Os/ts)＝10°～19°
上述实施例已应用于大型火力发电厂老汽轮机组的更新技术改造，并获得成功。

Claims (5)

1、一种主要用于冲动式涡轮机，特别是用于冲动式汽轮机亚音速级的弯扭静叶栅，该弯扭静叶栅(2)由若干个静叶片(1)构成，其特征在于静叶片(1)在常规直叶片积迭成型基础上，静叶片中部顺着动叶片(3)的旋转方向在圆周方向上有弯曲，同时静叶片(1)的中部还围绕指定的叶型扭转中心线有扭转，相应地在不同的叶片高度上，产生一系列叶型弯曲平移量和扭转位移量，由平移与扭转效果迭加而成的一系列叶型，经常规积迭后构成弯曲扭转联合成型的静叶片(1)，若干个静叶片(1)即构成弯扭静叶栅(2)。
2、根据权利要求1所述的弯扭静叶栅(2)，其特征在于静叶片(1)的叶型在圆周方向上整体平移，沿叶片高度方向不同位置上的平移量的值是不同的，平移量的值由小到大，再由大到小连续变化。
3、根据权利要求1或2所述的弯扭静叶栅(2)，其特征在于静叶片(1)的叶型在圆周方向上整体平移的方向与动叶片(3)旋转方向u相同，叶片最大弯曲量为4～8％，且最大弯曲量出现在叶片高度的40～60％处。
4、根据权利要求1所述的弯扭静叶栅(2)，其特征在于静叶片(1)的叶型在整体平移之后，还围绕一个指定的叶型扭转中心(15)扭转一定角度，由此产生叶型出汽边(16)沿圆周方向的扭转位移量，沿叶片高度方向不同位置上的扭转位移量的值是不同的，其值由小到大，再由大到小连续变化。
5、根据权利要求1或4所述的弯扭静叶栅(2)，其特征在于静叶片(1)的叶型按扭转方向n扭转，叶型扭转中心(15)位于叶型后半部分50～90％弦长范围之内的叶片中弧线(14)上，叶片最大扭转量为0.8～2.0％，且最大扭转量出现在叶片高度的40～60％处。
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