一種衝動式渦輪機後加載靜葉片的製作方法
2023-06-08 07:37:11 1
專利名稱：一種衝動式渦輪機後加載靜葉片的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種主要用於各類衝動式渦輪機，特別是用於衝動式渦輪機亞音速級靜葉柵的後加載靜葉片。
渦輪機主要是指蒸汽輪機、燃氣輪機和航空發動機等一類以氣體膨脹作功產生動力的能源動力設備，在國民經濟各個領域中廣泛應用。衝動式渦輪機在渦輪機中佔很大比例，特別是在火力發電用蒸氣輪機中，衝動式汽輪機佔一半以上。
衝動式渦輪機的能量轉換部件，主要包括固定在轉軸輪盤上的若干排動葉片，和固定在外殼隔板上的若干排靜葉片。靜葉片與動葉片間隔布置，當高溫、高壓、高速流動的氣體穿過由靜葉片和動葉片形成的氣流通道時，逐級膨脹作功，推動動葉帶動轉軸高速旋轉，對外輸出機械功。
氣體流過氣流通道時，會產生各種氣動熱力學損失，該損失的大小直接與渦輪機效率相關。由兩排相鄰靜葉片和動葉片構成的氣流通道稱為渦輪機的級，在級的氣動熱力學損失中，靜葉片部分佔很大比例。
由同一排靜葉片構成的通流部件稱為靜葉柵，靜葉片在某一半徑處的截面形狀稱為葉型，兩個相鄰靜葉片之間的區域稱為靜葉柵氣流通道，氣流通道的幾何尺寸、形狀特徵和氣動熱力學性能，全都取決於葉型的設計，葉型的設計過程稱為造型。
在已公知技術中，靜葉片造型的傳統設計技術方案有很多，應用也很廣泛，但從氣動熱力學性能來看，都不同程度地存在氣動熱力學損失較大，以及對氣流方向適應性較差等不足。
以下結合附圖作簡要介紹。
圖1是一種衝動式汽輪機亞音速級靜葉片的葉型，以及由其構成的靜葉柵氣流通道。
圖2是
圖1的局部放大圖。
圖1和圖2所示的靜葉片1的葉型由一個吸力面2、一個壓力面3、一個頭部4和一個尾部5四段曲線光滑連接而成，吸力面2與壓力面3各為一段光滑曲線，頭部4和尾部5各為一段圓弧線。兩個相鄰的葉型之間形成一個收縮的氣流通道6，氣體以氣流速度C0和氣流方向角α0進入通道6，逐漸加速流出，然後進入動葉氣流通道，氣流通道6的出口處最窄，稱為喉部Os。葉型弦線7的長度稱為弦長bs，相鄰葉型沿圓周方向的距離稱為節距ts,ts與bs之間的夾角稱為葉型安裝角βs,ts/bs表示葉柵中葉片的稠密程度，稱為葉柵稠度。在葉型內部任何位置作葉型的內切圓，其直徑Ds稱為葉型厚度，葉型內一系列內切圓圓心的連線稱為葉型中弧線8，中弧線8是一段起止點在弦線7兩端，中間部分拱起的光滑曲線，其拱起程度稱為葉型彎度δs。
衝動式汽輪機亞音速級靜葉柵內氣體流動的基本特點是，氣流必須沿流動方向加速前進，同時產生壓力降，這時在葉片吸力面2與壓力面3之間必定產生一定的壓力差，也稱為氣動負荷。傳統設計的靜葉柵氣流通道6的進口附近壓力差很大，因而最大氣動負荷分布在葉片的前半部分，稱為前加載靜葉片。前加載靜葉片進口處的氣流，容易在很大的壓力差作用下與葉片表面發生分離，造成較大的氣動熱力學損失，尤其是在氣流速度和氣流方向偏離設計值(即變工況)時，上述情況更容易發生。另外，由前加載靜葉片構成的靜葉柵，還容易產生較強的二次渦流，進一步加大了三維空間上的氣動熱力學損失。
本實用新型的目的，是提供一種用於靜葉柵的後加載靜葉片，通過改變氣動負荷的分布規律，以改善靜葉柵內氣體流動狀況，同時改善靜葉柵的變工況性能。
本實用新型的目的是這樣實現的與傳統設計的靜葉片相比，後加載靜葉片葉型的頭部厚度減小，最大厚度增大，葉型厚度和彎度變化平緩，最大彎度位置後移，吸力面與壓力面進行光順修整，選擇適當的葉型安裝角和葉柵稠度，構造靜葉柵氣流通道。上述靜葉片造型，可使靜葉柵氣流通道進口附近壓力差減小，最大氣動負荷位置向後移到葉片後半部分，葉片對氣流速度及氣流方向適應能力(即變工況性能)增強，不容易發生流動分離，特別是靜葉片後加載特性產生的三維空間效應十分明顯，可以有效地抑制、延緩和削弱葉柵通道二次渦流的發生和發展，進一步降低氣動熱力學損失。
圖1即是本實用新型後加載靜葉片的葉型，以及由其構成的靜葉柵氣流通道的示意圖。
圖2是
圖1的局部放大圖。
圖3是一種典型的傳統設計的前加載靜葉片的葉型，以及由其構成的靜葉柵氣流通道的示意圖。
圖4是後加載靜葉片的葉型示意圖。
圖5是傳統設計的前加載靜葉片的葉型示意圖。
圖6是兩種靜葉片的葉型厚度沿弦長分布規律的對比圖。
圖7是兩種靜葉片的葉型彎度沿弦長分布規律的對比圖。
圖8是兩種靜葉片上的氣動壓力和氣動負荷分布規律的對比圖。
圖9是兩種靜葉柵內的氣動熱力學總損失和氣流方向適應性的對比圖。
以下結合附圖，對本實用新型提出的技術方案及實施例的技術特徵作詳細說明。
圖1和圖2．所示的本實用新型後加載靜葉片1的葉型，以及由其構成的靜葉柵氣流通道6，其特徵是，葉型安裝角βs為38°～48°，葉柵稠度ts/bs為0.54～0.82。
圖4所示的後加載靜葉片1的葉型，其特徵是，葉型頭部4的厚度Ds1為弦長bs的5～10％；葉型尾部5的厚度為0.4～0.6毫米；最大厚度Dsmax為弦長bs的25～30％,Dsmax位於葉型前半部分弦長bs的20～30％處；葉型中弧線8的最大彎度δsmax為弦長bs的20～25％,δsmax位於葉型前半部分弦長bs的35～45％處；葉型吸力面2和壓力面3分別是一階導數光滑、二階導數連續的光順曲線，這種型線可使氣流速度變化率連續平滑，不容易產生流動分離。
圖5所示的傳統設計的前加載靜葉片1的葉型，其特徵是，葉型頭部4的厚度Ds1為弦長bs的10～20％；最大厚度Dsmax為弦長bs的15～20％；中弧線8的最大彎度δsmax位於葉型前半部分弦長bs的25～35％處；葉型吸力面2和壓力面3分別是由一段或兒段圓弧連接而成的光滑(二階導數不連續)曲線，這種葉片型線雖然加工比較方便，但容易產生較大的氣體流動分離損失。
圖6所示的後加載靜葉片1的葉型厚度Ds沿弦長bs的分布曲線(實線)，與傳統設計前加載靜葉片厚度分布曲線(虛線)相對比，頭部厚度減小一半，最大厚度增大三分之一，葉型截面積增大，因而葉片剛性也相應增大。
圖7所示的後加載靜葉片1的葉型彎度δs沿弦長bs的分布曲線(實線)，與傳統設計前加載靜葉片葉型彎度分布曲線(虛線)相對比，最大彎度相當，但最大彎度位置後移，使彎度變化更平緩。
圖8所示的後加載靜葉片1的吸力面2上氣動壓力P沿弦長bs的分布曲線(下方實線)和壓力面3上氣動壓力P的分布曲線(上方實線)，與傳統設計前加載靜葉片壓力分布曲線(虛線)相對比，後加載靜葉片最大氣動負荷Fsmax位於葉型後半部分弦長bs的55～75％處，而前加載靜葉片的最大氣動負荷Fsmax則位於葉型前半部分弦長bs的20～40％處。
圖9所示的後加載靜葉片1構成的後加載靜葉柵中三維空間氣動熱力學總損失係數ξ對氣流方向角α0的適應性曲線(實線)，與傳統設計的前加載靜葉柵氣流方向適應性曲線(虛線)相對比，後加載靜葉柵的氣動熱力學總損失相對下降20％，並且在氣流方向角為90°±30℃範圍內，總損失係數ξ不變，而傳統設計的前加載靜葉柵在α0為90℃±20℃範圍以外時，氣動熱力學性能即開始惡化。
本實用新型提出的後加載靜葉片的實施例，是用於200MW、100MW大型衝動式汽輪機亞音速級的重新設計，與產品結構尺寸相適應，新設計的各級靜葉片弦長bs的範圍為42～140毫米。上述實施例已應用於大型火力發電廠老汽輪機組的更新技術改造，並獲得成功。
權利要求一種用於衝動式渦輪機，特別是用於衝動式汽輪機亞音速級靜葉柵的後加載靜葉片，該後加載靜葉片(1)的葉型由一個吸力面(2)、一個壓力面(3)、一個頭部(4)和一個尾部(5)四段曲線光滑連接而成，二個靜葉片(1)即構成一個收縮的靜葉柵氣流通道(6)，其特徵在於，葉型的安裝角βs為38°～48°；葉型頭部(4)的厚度為弦長的5～10％；最大厚度為弦長的25～30％，其位置在葉型的前半部分，位於弦長的20～30％處；葉型中弧線(8)的最大彎度為弦長的20～25％，其位置在葉型的前半部分，位於弦長的35～45％處；由靜葉片(1)構成的靜葉柵氣流通道(6)的葉片稠度為0.54～0.82。
專利摘要本實用新型提出了一種主要用於各類衝動式渦輪機,特別是衝動式汽輪機亞音速級靜葉柵的後加載靜葉片,其主要技術特徵是,將汽流作用於葉片表面所生成的氣動負荷的最大值分布在靜葉片的後半部。由本實用新型靜葉片構成的靜葉柵,氣動熱力學總損失可比以往的傳統葉柵大幅度下降,變工況性能也有明顯改善。
文檔編號F01D5/14GK2328790SQ9721654
公開日1999年7月14日 申請日期1997年5月13日 優先權日1997年5月13日
發明者蔣洪德, 徐星仲, 朱斌, 俞鑌, 譚春青 申請人:北京全三維動力工程有限公司