電站燃氣輪機軸流式燃氣透平葉柵的幾何參數(shù)與葉片的扭曲

電站燃氣輪機軸流式燃氣透平葉柵的幾何參數(shù)與葉片的扭曲如前所述：當高溫高壓的燃氣流過透平級時，將會發(fā)生狀態(tài)參數(shù)和流動速度的變化，這樣，就可以在動葉柵的前后，形成一組特定的速度三角形，使燃氣本身所具有的能量部分地轉(zhuǎn)化成為透平的膨脹軸功。那么，燃氣的熱力參數(shù)和速度三角形為什么會按預定的設計規(guī)律進行變化呢？研究表明：它主要是通過對透平轉(zhuǎn)速的控制，以及合理地設計透平級中噴嘴環(huán)(靜葉柵)和動葉柵的幾何形狀與尺寸，來加以保證的。圖5-17中給出了透平級中噴嘴環(huán)(靜葉柵)、沖動式葉柵和反動式葉柵的示意圖，而圖5-18上則給出了某種反動式透平中，動葉平面葉柵的幾何參數(shù)。a)靜葉b)沖動式動葉c)反動式動葉圖5-17透平級中噴嘴環(huán)(靜葉)、沖動式動葉以及反動式動葉的平面葉柵圖從圖5-17中可以看出，不論是沖動式或是反動式透平，高溫高壓的燃氣在噴嘴環(huán)流道中，總是要發(fā)生膨脹而使氣流不斷加速的。因而噴嘴環(huán)流道的形狀必定是漸縮的、收斂型的。這就是說，以噴嘴環(huán)流道的中心線為中心的、與相鄰兩個靜葉的內(nèi)弧和背弧相切的那組內(nèi)切圓的直徑，一定是逐漸縮小的。這正表示沿氣流的流動方向，噴嘴環(huán)流道的通流面積在不斷地減小，而∣α1∣則必然要比∣α0∣小。圖5-18反動式透平中動葉平面葉柵的幾何參數(shù)對于沖動式動葉的流道來說，由于燃氣在其中并不膨脹，即∣w1∣=∣w2∣，因而這種動葉流道的形狀是等寬型的，即流道內(nèi)切圓的直徑將恒定不變，而∣β1∣=∣β2∣。在反動式動葉的流道中，由于燃氣的繼續(xù)膨脹作用，將使∣w2∣>∣w1∣，因而這種動葉流道的形狀與靜葉流道者相仿，它必然也是漸縮的、收斂型的，即沿氣流的流動方向，流道內(nèi)切圓的直徑也是不斷減小的，而∣β2∣<∣β1∣。透平靜葉或動葉剖面的形狀一般稱為葉型，它是構(gòu)成葉柵的基本要素。葉型的幾何形狀都是通過大量試驗研究獲得的，它們應該能夠保證氣流流過葉型時流阻損失為最小，而且便于加工制造。葉型的特征一般可以通過以下一些幾何參數(shù)來表示，參見圖5-18，即：中弧線——葉型中所有內(nèi)切圓圓心的連線，它可以是一個圓弧、拋物線，或者是某一種光滑的弧形曲線。弦線——葉型內(nèi)弧側(cè)進口邊與出口的公切線，又稱為外弦。葉型折轉(zhuǎn)角θ——中弧線入口端的切線與出口端的切線之間的夾角。弦長b——在葉片入口邊到出口邊之間沿弦線方向的距離，它是表示葉型大小的特征尺寸。出口邊的厚度s——般出口邊的型線是做成圓弧型的，那時。其厚度就是出口邊圓弧的直徑。葉型剖面的幾何形狀——它是決定葉型形狀的關(guān)鍵尺寸，又稱為型線。通常，葉片的型線有兩種表示方法。圖5-19中給出了我國自行設計研究成功的某種透平動葉的型線。它是由一些半徑不同的圓弧依次相切連接而成的。對于一定的X-Y坐標系來說，假如給出了各圓弧的半徑、圓心以及接點的坐標，型線也就完全確定了。圖5-20中給出的某種透平靜葉的型線，它在X-Y坐標系中是通過分別給出背弧和內(nèi)弧上各點坐標的方法來確定的。通常，透平的葉型都是做成中間厚而兩頭薄的那種形式。葉型的進口邊呈較大的圓弧形，以此來適應燃氣來流方向的變化，不至造成過大的流動損失。其出口邊則做得比較薄這樣可以減小氣流流出葉片時的尾流損失。為了增強葉片的強度，避免應力集中，出口邊是做成圓弧形的。圓弧坐標(mm)點序o1o2o3o4o5o6o7o8o9o10RXY0.60230.60230.602386.159683.8089-19.316264.500564.8161-8.904737.771745.987810.066221.081940.250725.739330.117037.161117.247234.132635.148313.76273.011764.988322.597848.889943.2389-24.5269277.2769接點坐標(mm)點序123456789XY0.0170.7438.25622.10119.38136.87533.00445.53747.46045.55452.25743.38167.87623.45363.72619.8631.1210.297圖5-19某種透平動葉的葉型圖內(nèi)弧和背弧的坐標(mm)點序01234567891011121314XY1Y20.003.703.701.7010.000.603.7012.780.005.5014.340.8211.0016.586.1817.0016.886.1822.0016.057.1427.0014.847.6033.0012.847.4539.0010.686.7145.008.375.4549.006.854.4355.004.242.6058.002.781.5861.001.260.45圖5-20某種透平靜葉的葉型圖在平面葉柵中各片入口邊和出口邊的公切線，被分別稱為前額線和后額線，它的方位與透平級中圓周運動的方向相一致。平面葉柵的特征通?？梢杂靡韵乱恍缀螀?shù)來表示，它反映了葉片在透平流道中的具體位置關(guān)系，這些參數(shù)是(參見圖5-18)：柵距t——在兩個相鄰的葉片上，同位點之間沿額線方向的距離。相對柵距=t/b——柵距與葉片弦長的比值，它表示葉柵中葉片排列的疏密程度，其倒數(shù)s==b/t稱為稠度。葉柵寬度Ba——前、后額線之間的垂直距離。安裝角γp——葉型外弦線與后額線之間的夾角。幾何入口角β1j與幾何出口角β2j——中弧線在葉型入口邊和出口邊的切線與前、后額線之間的夾角。很明顯，當葉片的安裝角γp確定后，β1j和β2j角也就完全確定不變了，而且(5-48)在一般情況下，氣流流進葉柵時的進氣角β1，以及氣流流出葉柵時的出氣角β2，與葉柵的幾何角β1j和β2j并不是重合的，它們之間的差值稱為“沖角”i和“落后角”δ，即(5-49)(5-50)對于靜葉柵來說，同樣可以用以上那些幾何參數(shù)來表示靜葉在透平流道中的具體布置關(guān)系。那時，只要把葉柵的幾何入口角和幾何出口角的符號改為α0j和α1j就是了。上面，我們只是討論了透平級某個直徑處，靜葉和動葉的葉型以及葉柵的幾何特征參數(shù)的表示方法。但是，在任何一個透平級中，靜葉和動葉都是有一定高度的，那么沿著整個葉片的高度方向，葉片的葉型以及β1j和β2j(或α0j和α1j)角是否都做成相互一致呢？通常有兩種情況可言。當葉片較短時，例如葉輪的平均直徑Dm與葉片高度l的比值Dm/l>12時，葉根部和頂部的圓周速度uh和u1，與葉輪平均直徑處的圓周速度um相差不多，那時，可以認為沿葉高方向氣流的各種參數(shù)基本上是變化不大的。這樣，就可以把葉片根部和頂部葉型的進、出口幾何角度，設計成為與平均直徑處完全相同。這就是說，在沿葉片的高度方向，葉型的進、出口幾何角(β1j、β2j或α0j、α1j)是做成相互一致的。這種葉片通常稱為直葉片。但是對于Dm/l<12的長葉片來說，在同一個轉(zhuǎn)速下，葉片根部與頂部的圓周速度uh和u1就會相差很大(顯然，圓周速度將沿葉高方向逐漸增大)。在設計這種葉片時，假如對這個因素不加注意，而仍然采用直葉片結(jié)構(gòu)，就會在葉片進口處造成氣流脫離現(xiàn)象，致使透平效率嚴重惡化。圖5-21所示的例子很能說明這個問題。在圖5-21中我們暫且假定：有噴嘴環(huán)噴出的氣流之絕對速度c1(無論是大小和方向)，在沿葉高方向上都是均勻一致的。從圖5-21中可以看出：當氣流流進動葉時，由于圓周速度的不同，在葉片根部的進氣角β1h，將要比葉片頂部的進氣角β1t小很多。顯然，在這種透平級中，假如仍然采用那種根據(jù)平均直徑Dm斷面上的速度三角形所構(gòu)成的直葉片方案，那么，除了在平均直徑斷面上的流動情況外，當氣流流過其他斷面時，都會在動葉柵的進口處產(chǎn)生如圖5-22那樣的氣流脫離現(xiàn)象，以致造成損失。圖5-21在長葉片情況下，由于圓周速度uh和ut的差異所造成的葉根和葉頂部位氣流速度三角形的變化關(guān)系a)氣流在葉片背弧側(cè)產(chǎn)生的脫離現(xiàn)象b)氣流在無脫離現(xiàn)象時的流動情況c)氣流在也片內(nèi)弧側(cè)產(chǎn)生的脫離現(xiàn)象圖5-22動葉的進口速度三角形配合不當時所造成的損失當時，從葉片根部到平均直徑之間，氣流的進氣角β1都會比葉片的幾何入口角β1j小，由此產(chǎn)生正沖角+i，這樣，就會使氣流在葉片背弧部位產(chǎn)生渦流脫離現(xiàn)象。與此相反，從平均直徑到葉片頂部之間，氣流的進氣角β1都會比β1j角大，這樣就會產(chǎn)生負沖角-i，致使氣流在葉片內(nèi)弧部位生產(chǎn)渦流脫離現(xiàn)象。總之，這種流動情況都會導致透平效率的降低。正因為這個原因，為了提高透平級的效率，人們總是把葉片的幾何入口角與幾何出口角做成是沿葉高方向逐漸變化的方案。同時從葉片強度上考慮，為了減小長葉片中由于離心力的作用，而在葉根部位生產(chǎn)過大的機械應力，通常，還把葉片的斷面尺寸(厚度圖5-23在不同半徑上扭葉的剖面圖與寬度)也都做成為沿葉高方向逐漸減小的形式。圖5-23在不同半徑上扭葉的剖面圖圖5-23中給出了這種葉片的示意圖。這種葉片叫做扭葉片。目前，扭葉片的結(jié)構(gòu)形式很多。它的目的都是為了提高透平級的效率和作功能力。有關(guān)葉片的扭曲規(guī)律問題在此就不深入討論了。讀者若有興趣，可以參考有關(guān)燃氣透平設計方面的專著。在許多燃氣透平中，不僅動葉片是做成扭曲形式的，就是靜葉片也往往帶有一定的扭曲度。圖5-24上給出了某種透平動葉的示圖，以及靜葉和動葉幾何出口角α1j和β2j沿葉高方向的變化規(guī)律。圖5-24某種透平動葉的示圖，以及靜葉和動葉幾何出口角α1j與β2j沿葉高方向的變化規(guī)律圖5-25和圖5-26上給出了某臺20MW機組中采用的透平靜葉和動葉的結(jié)構(gòu)示圖。在這種扭葉片中，，第一、二級靜葉和動葉的進、出口幾何角沿葉高方向的變化關(guān)系，大體上如圖5-27所示。由圖可知：在第一、二級動葉中，葉片的幾何入口角β1j是沿葉高逐漸增大的，而幾何出口角卻適得其反。因而，進、出口幾何角的的差值(β1j-β2j)在沿葉高方向也是不斷地增大的。很明顯，這正意味著透平級的反動度Ωt必然也將沿著葉高方向迅速地增大起來。在一般設計中，我們總是使透平動葉根部的反動