本站小編為你精心準備了透平機械荷葉設計探究參考范文，愿這些范文能點燃您思維的火花，激發(fā)您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

隨著日益嚴峻的環(huán)境保護和能源高效利用的要求，以及社會經濟的發(fā)展，提高透平機械的運行效率和安全可靠性，不僅可以節(jié)約有限的能源，提高經濟效益，而且可以減少CO2的排放，因此提高透平機械的氣動性能和安全可靠性的關鍵技術研究具有現實的工程應用價值。提高透平機械氣動效率的關鍵技術之一就是要提高透平機械通流部分的效率，透平機械通流部分的基本工作單元是透平級，透平級內損失約占透平機械內部損失的60%～70%，而葉片的型面損失和端壁次流損失約占透平級的60%～70%。為提高透平效率，國內外諸多學者和制造商對葉片的設計方法和通流結構進行了研究，提出了分流葉柵、光滑子午流道、隔板徑向汽封、自帶冠多齒汽封、靜葉柵的彎、扭成型、后加載層流葉型、調節(jié)級子午收縮、優(yōu)化可控渦等技術。因此研發(fā)先進的葉型及合理的三維成型以及透平級的設計，盡量減少靜葉、動葉的葉型損失和端壁次流損失一直是透平機械高性能葉片設計和優(yōu)化的熱點研究領域［1，2］。

對于透平機械制造廠商來說，不僅要盡可能地提高葉片的效率和安全可靠性，同時要求盡可能地降低開發(fā)設計制造成本。例如作為汽輪機的能量轉換關鍵部件葉片，其制造加工約占整個汽輪機機械加工量的30%以上。開發(fā)高負荷葉片，在保證輸出功率的前提下，可以大幅度減少葉片數目。結合高負荷葉片設計的大焓降透平級，可以減少汽輪機通流部分的級數。日本東芝公司的250MW到450MW汽輪機，高壓缸加調節(jié)級只有7級，中壓缸5級。日立公司的600MW汽輪機的高壓缸加調節(jié)級只有7級，中壓缸5級。但是都采用增大根徑來保證透平級的最佳速比，從而得到最佳的輪周效率。因此，在保證汽輪機運行安全可靠性的前提下，高負荷葉片和大焓降透平級的研發(fā)和應用將顯著地減小汽輪機通流部分的結構尺寸和保持高效率，從而降低汽輪機制造成本及電廠建設和安裝成本，提高汽輪機制造廠商的產品競爭力［3］。高負荷葉片是指增加葉片的負荷，主要應用于燃氣輪機工業(yè)中。高負荷葉片設計可以提供通過增加每只葉片的負荷而減少透平級葉片的數目。一般采用Zweifel負荷系數［4］來定義葉片的負荷。其中s是葉片吸力面高度，Bx是軸向弦長，β1和β2分別是進口和出口氣流角，u1和u2分別是氣流速度流線方向的分量。負荷系數Zw可以通過確定葉片的數目和稠度來優(yōu)化透平性能。目前在航空發(fā)動機渦輪的高負荷葉片設計是認為負荷系數Zw大于1．15［5］。而對汽輪機葉片負荷設計中的負荷系數的具體數值還沒有統(tǒng)一的認識，一般認為負荷系數Zw大于0．75以上就是具有高負荷葉型特點的葉片。

1高負荷葉片在燃氣輪機中應用

現代航空發(fā)動機的低壓渦輪效率已經達到很高水平，在此基礎上期望繼續(xù)提高效率變得非常困難，由于低壓渦輪部件占整臺發(fā)動機重量的近1/3，降低其重量成為進一步提高發(fā)動機性能的關鍵技術。減輕發(fā)動機重量的關鍵在于減輕低壓渦輪的重量，這就需要減少低壓渦輪級的葉片數目，在給定渦輪級負荷的前提下，必須增加單個葉片的氣動負荷，因此發(fā)展了區(qū)別于傳統(tǒng)葉型的高負荷和超高負荷葉型。高負荷葉型由于負荷的增大，葉型的吸力面壓力分布相比于傳統(tǒng)葉型具有較大的差別，主要區(qū)別在于高負荷葉型的負荷分布具有前移的特征，進而導致葉柵內橫向壓力梯度增大，葉柵內的端部次流損失增加，同時流動具有較大的逆壓梯度，易導致流動發(fā)生分離，因而使得高負荷葉型具有很高的葉柵損失?？刂聘哓摵扇~型的流動分離和減少二次流損失成為高負荷葉型發(fā)展與應用的關鍵技術和研究熱點［6－8］。國外在近10多年的時間內，針對渦輪高負荷葉片在葉型設計、邊界層流動分離和控制以及氣動性能方面開展了大量的實驗測量、數值模擬和理論分析。Sjolander等［9］利用風洞試驗臺開展了跨音速葉型不同負荷分布對其氣動性能影響的實驗研究，分別研究了氣流攻角和出口馬赫數對三種典型加載設計的葉型氣動性能的影響特性。圖1是Sjolander等［9］開發(fā)了不同載荷方式下的葉型型線，分別是針對前加載葉型、中部加載葉型和后加載葉型型線。圖2是不同加載方式的等熵馬赫數分布的實驗結果。Sjolander等［9］實驗研究結果表明:后加載方式設計的葉型具有最佳的氣動效率，其次是中部加載。而前加載葉型的氣動性能最差。

英國劍橋大學的Whittle實驗室的Hodson和Howell對高負荷低壓渦輪葉片在定常和非定常氣動性能及其影響因素方面開展了數值和實驗研究工作。Hodson和Howell在發(fā)展高負荷葉型的同時對影響高負荷葉型氣動性能的有關因素進行了詳細的實驗和數值研究，分別開展進口Re數、進口湍流度、非定常上游尾跡等對高負荷葉片流動分離的影響。Hodson的高負荷葉片的試驗臺是采用運動繞流柱結構開展非定常尾跡對高負荷葉片和超高負荷葉片的邊界層及氣動性能影響機理研究，獲得了大量的實驗數據和理論分析結果，為高負荷葉型的設計和工程應用奠定了堅實的理論基礎和參考數據。圖3是在不同Re數下，高負荷葉片和超高負荷葉片在渦輪應用中對渦輪效率的影響。

Sonoda等［10］采用遺傳算法為優(yōu)化方法，開展了總壓損失和折轉角最小為優(yōu)化目標的先進高負荷跨音速葉型的優(yōu)化設計工作。在優(yōu)化得到的高負荷葉型的基礎上，利用數值和實驗方法對優(yōu)化的高負荷葉型進行了氣動性能的驗證。圖4和圖5是Sonoda等［10］設計優(yōu)化的高負荷渦輪葉片型線和總壓損失系數的比較。研究結果表明:在等熵出口馬赫數1．2時優(yōu)化的高負荷葉型相比于傳統(tǒng)葉型具有12%的能量損失下降。

德國MTU實驗室的Gier等［11］經歷了10～15年時間的研究旨在提高渦輪葉片的負荷，特別是針對低壓渦輪葉片。圖6(見下頁)是Gier等［11］研發(fā)設計的高負荷渦輪葉片壓力系數分布的實驗測量和數值模擬結果的比較。實驗測量與數值模擬結果吻合良好，驗證了設計優(yōu)化得到的高負荷渦輪葉片氣動性能的可靠性。Gier等［11］設計研發(fā)了在負荷系數從0．86提高到1．04、0．95提高到1．14、0．96提高到1．13和1．04提高到1．24的高負荷新葉型。實驗測量和數值模擬的結果可以證明:在基本葉型基礎上，實現了20%～50%負荷增加的高負荷葉型設計。

2高負荷葉片和大焓降級的研發(fā)應用

葉柵損失一般分為葉型損失、二次流損失和葉頂泄漏損失。葉型損失與葉片表面的附面層狀態(tài)和特性有關，主要包括氣流粘性引起的摩擦損失、附面層分離引起的渦流損失及出口尾跡損失。葉型損失的大小取決于葉片表面附面層的流動特性、尾跡區(qū)旋渦的能量耗散和尾跡區(qū)與主流區(qū)氣流的相互摻混等。二次流損失是透平葉柵損失的主要組成部分，約占30%，甚至高達50%～70%。隨著汽輪機通流技術的發(fā)展，GE、日立等公司近些年來都在發(fā)展高負荷葉型。在保證足夠的強度條件下，選擇最佳的負荷系數，減少葉片只數，使整周葉片表面面積減小，減小型面摩擦損失和尾跡損失，并使吸力面不產生脫流，使葉型保持低的型損，同時通過全三維設計來抑制由于葉片負荷增加可能帶來的二次流損失增加，這樣在保持葉型高氣動效率的情況下，大大減小了葉片只數，降低制造成本［3］。

在高負荷葉片設計和研發(fā)的同時，需要考慮大焓降級的設計要求。結合高負荷動葉片和大焓降靜葉片的匹配，可以使得透平級的焓降大幅度提高，減少汽輪機通流部分透平級數，降低制造成本。高負荷葉片的研發(fā)和應用與傳統(tǒng)常規(guī)動葉片相比可以減少葉片數目14%～20%。在透平級中高負荷葉片數目的減少導致柵距增加，透平級柵距的減少雖然帶來了型面損失的降低，包括尾跡損失。但是由于葉片負荷的增加導致葉柵流道內葉片的壓力面和吸力面間的橫向壓差增加，使得葉柵通道內的二次流強度增加，從而造成流動損失增加。同時由于高負荷葉片相比常規(guī)葉片具有更大的氣流折轉角，需要對高負荷葉片的吸力面靠近尾緣附件認真考慮，從而盡量降低吸力面尾緣附近較大的逆壓梯度而導致流動發(fā)生分離，流動發(fā)生分離不僅造成流動損失增加，而且降低葉片的負荷，使得高負荷葉片的作用減弱甚至消失。

GE公司報道其某些靜葉整圈只數減小了近50%，日立公司在DH－600B機型的低壓前幾級靜葉采用了高負荷前加載無擴壓葉型－CUC葉型，并采用了AVN設計。為了提高葉柵的負荷，采用前加載是一種比較好的方法，通過型線曲率的控制使葉柵在進口段有較大的收斂度，使葉柵迅速加載從而提高整個葉柵通道的負荷。Hashinmoto和Kimura［12］研究了一種高負荷前加載葉型，試驗驗證了高負荷前加載葉型的能量損失系數較后加載葉型低。圖7給出了常規(guī)葉型與高負荷葉型的效率比較。［12］Kiyoshi［13］在常葉片的基礎上設計了高負荷葉片，將常規(guī)葉片的負荷系數從0．64～0．79提升為0．70～0．85。Kiyoshi采用數值模擬和平面葉柵性能實驗對設計的高負荷葉片進行驗證。數值模擬和實驗測量的結果表明在保證性能基本不變的情況下，高負荷動葉片可減少葉片只數約14%。文獻提到了所發(fā)展的高負荷動葉片已經應用于汽輪機的高壓級改造。

周凡貞等［3］針對汽輪機通流部分的高負荷和大焓降級的設計方法和基礎理論進行了研究，探討了采用高負荷葉片和大焓降級設計運行安全可靠的新型高效率汽輪機的途徑。周凡貞等［3］對于高負荷葉片和大焓降級的研發(fā)認為需要參考燃氣輪機高負荷葉片的特點，結合實驗研究進行。提出的基本設計方法是:(1)通過增大根徑或者轉速來增大圓周速度，可以保證在增加級焓降時具有最佳速比;(2)進一步減小靜葉和動葉的出口氣流角，但是有一定的限制;(3)減小反動式級的反動度，可以增大反動式透平級的焓降;(4)采用可控渦或者彎扭葉片成型技術，控制反動度沿葉高的分布來增加焓降;(5)減少葉片數目來增加葉片的氣動負荷。

周凡貞等［14］開展了某100MW汽輪機的高壓缸大焓降級的改進設計和葉柵成型研究。在轉速和根徑不變的情況將16級高壓缸通流部分設計成12級，平均級焓降增加25%，平均的速比由原先的0．514減少為0．446。熱力設計表明改進設計后仍然具有較好的效率，但是動葉和靜葉的幾何進汽角減小。論文提出需要開發(fā)具有良好攻角特性的小進汽角葉柵。周凡貞等［15］對汽輪機高負荷葉片三維成型設計進行了研究，同時采用級進行氣動性能的數值驗證。研究結果給出了典型汽輪機的透平級，減少動葉片的數目是18只，在三維數值計算分析的基礎上驗證了新設計的葉柵葉片負荷增加15%，而效率基本保持不變。

孫奇［1］和李軍等［16］對高負荷葉片和后加載葉片的氣動性能和三維積疊規(guī)律進行了實驗和數值研究。采用平面葉柵和環(huán)形葉柵吹風試驗對后加載和高負荷前加載葉型的氣動性能進行了詳細的測量和研究。圖8給出了前加載和后加載葉型的型線和直列葉柵吹風實驗壓力系數分布結果與數值模擬結果的比較。平面葉柵吹風試驗結果表明:前加載葉型的頭部為較大的圓弧形，在±20°攻角范圍內，能量損失系數幾乎不變。后加載葉型的能量損失系數隨攻角的變化也很小，只是在－15°攻角以后損失增加較多。但總的說來，前加載葉型在各種攻角下的葉型損失系數都較后加載葉型略低。

圖9是前加載和后加載葉片徑向彎曲設計后的葉片型線和環(huán)形葉柵吹風實驗結果比較。環(huán)形葉柵吹風試驗結果表明:前加載葉型葉根、頂部的端損都較后加載葉型小，說明了前加載葉型通過對三維彎曲成型生成線的控制，減小了通道渦的強度，有效地抑制了端部二次流。從試驗結果來看，前加載葉型采用的彎曲較好地抑制了端部二次流，也說明前加載葉型可通過較好的彎曲成型來減小由于其內外弧壓差大而可能導致的橫向二次流的加大，同時也說明前加載葉型宜采用較大的彎曲量和較大的根、頂部正、負傾斜角度。前加載直葉柵由于其葉型本身前加載的特點，二次流的生成較早，其根部的損失最大。而后加載直葉柵由于其后加載的特點，在根部的端部損失較前加載直葉柵小。前加載葉柵采用較大切向彎曲后效果最好，而后加載采用彎曲后較直葉柵也能有效降低單排葉柵的損失。

3結論和展望

3．1結論

論文綜述了航空渦輪中高負荷葉片的設計研發(fā)和氣動性能的實驗和數值研究進展。在航空渦輪高負荷葉片氣動設計概念的基礎上，詳細介紹了汽輪機中高負荷葉片和大焓降級的設計思路和研究現狀。介紹了汽輪機中高負荷葉片設計中不同載荷方式設計思路和方法，特別是大焓降透平級在汽輪機中應用的初步探討。論文給出了前加載高負荷葉片在汽輪機中應用的研發(fā)現狀和進展。

3．2展望

在航空渦輪高負荷葉片和大焓降透平級氣動設計和基礎研究進展綜述的基礎上，針對高負荷葉片和大焓降透平級在汽輪機通流設計中的應用和相關關鍵技術研究進行了如下展望。

(1)高負荷葉片的設計優(yōu)化研究

常規(guī)高負荷葉片由于葉道中橫向壓力梯度增加，導致對于低展弦比葉片的二次流損失增加。開展高負荷葉片的三維氣動優(yōu)化設計，降低二次流損失，對于拓展高負荷葉片在汽輪機透平級中的應用具有現實的工程應用價值。高負荷葉片在汽輪機透平級設計中應用需要開展徑向積疊三維優(yōu)化設計，同時結合非軸對稱端壁成型技術等方法，降低高負荷葉片端壁的橫向壓力梯度，進而降低二次流強度和減少二次流損失。具體研究工作應該集中在兩個方面:(a)高負荷葉片型線和徑向積疊規(guī)律的設計和優(yōu)化和非軸對稱造型技術的研究，旨在提高高負荷葉片的氣動效率;(b)高負荷葉片在設計工況和變工況性能的研究，包括數值和實驗研究。旨在研究變工況下高負荷葉片的邊界層可能發(fā)生流動分離，進而大幅度降低葉片負荷和增加流動損失的影響因素和控制方法。

(2)大焓降透平級的設計優(yōu)化研究

在汽輪機透平級最佳速比的設計條件下，開展汽輪機通流部分中大焓降透平級設計理論和方法的研究。大焓降透平級的設計優(yōu)化主要包括大焓降透平級的速比選擇;靜葉/動葉匹配的最佳設計;大焓降透平級的定常和非定常氣動性能研究。

(3)高負荷葉片和大焓降透平級在汽輪機通流部分應用中關鍵技術研究

高負荷葉片和大焓降透平級設計理論和方法的研究是提高汽輪機產品競爭力的關鍵技術。具體細節(jié)包括設計速比選擇、根徑選擇、反動度選擇以及焓降和子午流道的設計。在保證氣動效率和輸出功率的前提下，采用高負荷葉片和大焓降透平來盡量減少葉片只數和減少透平級數，同時需要保證設計工況和變工況的氣動性能和安全可靠性。