本發(fā)明涉及一種大型工業(yè)汽輪機(jī)末級(jí)扭葉片，特別是一種大型工業(yè)汽輪機(jī)末級(jí)扭葉片設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：

為提高火力發(fā)電站熱效率，電站給水泵采用汽輪機(jī)拖動(dòng)來(lái)降低能耗。近年來(lái)，在“節(jié)能減排”背景下超臨界及超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組相繼投產(chǎn)，相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)給水泵汽輪機(jī)也呈現(xiàn)大型化趨勢(shì)，而我國(guó)在大型電站驅(qū)動(dòng)給水泵用工業(yè)汽輪機(jī)多為外國(guó)進(jìn)口，引進(jìn)設(shè)備成本高，對(duì)國(guó)家能源、經(jīng)濟(jì)安全也是隱患。

葉片是汽輪機(jī)的核心，大型電站驅(qū)動(dòng)給水泵用工業(yè)汽輪機(jī)末級(jí)扭葉片長(zhǎng)、轉(zhuǎn)速高且變化范圍大、容積流量大、負(fù)荷大、在濕蒸汽區(qū)運(yùn)行，葉片離心力大、振動(dòng)特性復(fù)雜，同時(shí)需要保證葉片有高的效率。低壓級(jí)葉片核心技術(shù)長(zhǎng)期為發(fā)達(dá)國(guó)家壟斷，急需開(kāi)發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的大型電站驅(qū)動(dòng)給水泵用工業(yè)汽輪機(jī)葉片，實(shí)現(xiàn)我國(guó)大型電站驅(qū)動(dòng)給水泵用工業(yè)汽輪機(jī)國(guó)產(chǎn)化。

在汽輪機(jī)葉片設(shè)計(jì)中，通常的方法是預(yù)先建立標(biāo)準(zhǔn)葉型庫(kù)，應(yīng)用時(shí)在標(biāo)準(zhǔn)葉型庫(kù)中選用型線，標(biāo)準(zhǔn)葉型庫(kù)中的型線一般是按照進(jìn)汽角等關(guān)鍵參數(shù)分類(lèi)歸檔的，每檔有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)葉型，一般標(biāo)準(zhǔn)型線是不連續(xù)的，因此不能保證葉型與氣流角要求完全一致，不能避免攻角損失。目前還有一種較為流行的完全參數(shù)化葉片設(shè)計(jì)，使用關(guān)鍵參數(shù)(進(jìn)出汽角、安裝角、弦長(zhǎng)等)和樣條葉型型線，控制截面葉型，再給定積疊規(guī)律實(shí)現(xiàn)葉片三維造型，該方法可以快速實(shí)現(xiàn)直葉片或扭轉(zhuǎn)較小葉片的造型和優(yōu)化，但對(duì)于扭轉(zhuǎn)較大的末級(jí)葉片，使用該方法實(shí)現(xiàn)不同葉高截面葉型匹配和改進(jìn)優(yōu)化時(shí)，容易出現(xiàn)葉型型線畸變和葉片表面不能光順的問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于以上所述的現(xiàn)有技術(shù)缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種大型工業(yè)汽輪機(jī)末級(jí)扭葉片設(shè)計(jì)方法，用于解決現(xiàn)有扭葉片造型技術(shù)中不同葉高截面葉型匹配時(shí)葉型型線容易畸變、葉片造型優(yōu)化表面不易光順的問(wèn)題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相應(yīng)目標(biāo)，本發(fā)明提供一種大型工業(yè)汽輪機(jī)末級(jí)扭葉片設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：

1)使用一維快速熱力設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)各級(jí)初步焓將分配，確定各級(jí)平均半徑位置葉型進(jìn)、出口氣流角，初步得到子午面圖；

2)選定扭轉(zhuǎn)因子，根據(jù)末級(jí)子午流面及平均半徑位置葉型參數(shù)，應(yīng)用基于流線曲率的S2方法確定末級(jí)葉片沿葉高葉型截面進(jìn)口氣流角分布規(guī)律；

3)將葉片沿葉高方向分為N個(gè)截面，根據(jù)工業(yè)汽輪機(jī)末級(jí)葉片設(shè)計(jì)規(guī)律，選定葉根截面和葉頂截面中弧線弦長(zhǎng)，根據(jù)進(jìn)口汽流角，使用樣條曲線(如Bezier曲線)構(gòu)造出沿葉高各截面葉型中弧線；

4)根據(jù)沿葉高各截面中弧線和進(jìn)口氣流角，考慮到強(qiáng)度、振動(dòng)要求，確定厚度分布規(guī)律，在厚度分布曲線數(shù)據(jù)庫(kù)中查取合適的厚度分布曲線；

5)根據(jù)厚度分布規(guī)律，使用樣條曲線(如Bezier曲線)擬合截面葉型背弧和內(nèi)弧，葉型前緣和尾緣使用小圓代替，背弧、內(nèi)弧與小圓相切；

6)根據(jù)各截面葉型型線，使用曲面樣條生成葉片曲面；

7)選定葉根、拉筋凸臺(tái)和圍帶形式，完成三維葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

作為優(yōu)選：

所述的步驟3)中沿葉高葉型截面的數(shù)目N為11～19個(gè)。

所述的步驟3)中葉片根部弦長(zhǎng)在120mm～160mm范圍內(nèi)，葉片頂部弦長(zhǎng)在60～90mm范圍內(nèi)。

所述的步驟4中厚度分布曲線選擇需保證葉片根部截面面積在1800mm²～2200mm²范圍內(nèi)，葉片頂部截面面積在300mm²～500mm²范圍內(nèi)。

所述的步驟5)中背弧、內(nèi)弧的樣條曲線控制點(diǎn)P的數(shù)目為5～10個(gè)。

如上所述，本發(fā)明大型工業(yè)汽輪機(jī)末級(jí)扭葉片設(shè)計(jì)方法，具有以下有益效果：

該大型工業(yè)汽輪機(jī)末級(jí)扭葉片設(shè)計(jì)方法，實(shí)際為一種半?yún)?shù)化葉片設(shè)計(jì)方法。葉片中弧線為參數(shù)化設(shè)計(jì)，在葉片設(shè)計(jì)初期，可以通過(guò)調(diào)整葉片扭曲因子實(shí)現(xiàn)葉片中弧線分布規(guī)律變化，直觀可靠，當(dāng)對(duì)葉片進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)優(yōu)化時(shí)，可直接調(diào)整指定截面中弧線形狀，簡(jiǎn)單快速地達(dá)到需求效果。截面葉型背弧、內(nèi)弧型線使用已有的厚度分布曲線庫(kù)數(shù)據(jù)，可以保證葉片具有良好的氣動(dòng)性能，同時(shí)能有效避免各截面葉型匹配和改進(jìn)優(yōu)化過(guò)程中容易出現(xiàn)型線畸變和葉片表面不光順的問(wèn)題。

附圖說(shuō)明

圖1顯示為本發(fā)明設(shè)計(jì)方法步驟2)的示意圖；

圖2顯示為本發(fā)明設(shè)計(jì)方法步驟3)的示意圖；

圖3顯示為本發(fā)明設(shè)計(jì)方法步驟4)葉高和厚度曲線的示意圖；

圖4顯示為本發(fā)明設(shè)計(jì)方法步驟4)截面相對(duì)厚度與相對(duì)軸向弦長(zhǎng)的曲線示意圖。

圖5顯示為本發(fā)明設(shè)計(jì)方法步驟5)的示意圖；

圖6顯示為本發(fā)明設(shè)計(jì)方法步驟6)的示意簡(jiǎn)圖；

圖7顯示為本發(fā)明設(shè)計(jì)方法步驟6)的網(wǎng)格示意圖；

圖8顯示為本發(fā)明設(shè)計(jì)方法步驟7)的示意圖。

元件標(biāo)號(hào)說(shuō)明

1 中弧線

2 內(nèi)弧

3 背弧

4 葉身

5 葉根

6 拉筋凸臺(tái)

7 圍帶

具體實(shí)施方式

以下通過(guò)特定的具體實(shí)例說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方法，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以由本說(shuō)明書(shū)所敘述的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明所具有的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明還可以通過(guò)另外不同的具體實(shí)例實(shí)施方式加以實(shí)施和應(yīng)用，本說(shuō)明書(shū)中的各項(xiàng)細(xì)節(jié)也可以在沒(méi)有背離本發(fā)明的精神下進(jìn)行各種修飾和改變，實(shí)施不同觀點(diǎn)與應(yīng)用。

請(qǐng)參閱圖1至圖8。需要說(shuō)明的是，本實(shí)施實(shí)例中所提供的圖示僅以示意圖方式說(shuō)明本發(fā)明的基本構(gòu)想，因此圖示中僅顯示與本發(fā)明中有關(guān)的組件而非按照實(shí)際實(shí)施時(shí)的組件數(shù)目、尺寸及形狀繪制，實(shí)際實(shí)施時(shí)各組件的數(shù)目、尺寸及形狀可以隨意改變，且其組件布局形態(tài)具體形態(tài)也可能更為復(fù)雜。

本發(fā)明大型工業(yè)汽輪機(jī)末級(jí)扭葉片設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：

1)使用一維快速熱力設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)各級(jí)初步焓將分配，確定各級(jí)平均半徑位置葉型進(jìn)口氣流角α、出口氣流角β，初步得到子午面圖。

2)選定扭轉(zhuǎn)因子z，根據(jù)經(jīng)過(guò)步驟1)獲得的末級(jí)子午流面及平均半徑位置葉型參數(shù)，應(yīng)用基于流線曲率的S2方法確定末級(jí)葉片沿葉高葉型截面進(jìn)口氣流角α和出口氣流角β的分布規(guī)律，如圖1所示。

3)將葉片沿葉高方向分為N個(gè)截面，其中橫截面數(shù)量N為11至19個(gè)，如圖6所示，根據(jù)工業(yè)汽輪機(jī)末級(jí)葉片設(shè)計(jì)規(guī)律，選定葉根截面和葉頂截面葉型中弧線1的弦長(zhǎng)b(即葉型截面前緣小圓圓心與尾緣小圓圓心之間的直線距離)，根部葉型截面弦長(zhǎng)b在120mm～160mm范圍內(nèi)，頂部葉型弦長(zhǎng)b在60～90mm范圍內(nèi)。對(duì)于每個(gè)橫截面根據(jù)進(jìn)口氣流角α，使用Bezier樣條曲線構(gòu)造出截面葉型中弧線1，并將所有的中弧線1按照某種重疊(例如尾緣重疊、前緣重疊等)規(guī)律放置在一起，形成如圖2所示的圖，可以清晰地反映葉片的扭曲規(guī)律，并能對(duì)指定的中弧線1進(jìn)行微調(diào)。

Bezier樣條曲線的定義為：

其中，

如圖5所示，由Bezier樣條曲線定義可知，可通過(guò)調(diào)整控制點(diǎn)，得到不同的中弧線1形狀。

4)根據(jù)沿葉高各截面中弧線1和進(jìn)口氣流角α，并考慮強(qiáng)度、振動(dòng)要求確定厚度分布規(guī)律，如圖3、圖4所示。厚度分布曲線來(lái)自于厚度分布曲線數(shù)據(jù)庫(kù)，厚度分布曲線是反映中弧線1為直線的原始葉型沿弦長(zhǎng)b從葉型前緣到尾緣葉型相對(duì)厚度C(即相對(duì)于弦長(zhǎng)b的百分比)的分布規(guī)律。對(duì)于工業(yè)汽輪機(jī)，厚度分布曲線選擇需要保證葉片根部截面面積A在1800mm²～2200mm²范圍內(nèi)，葉片頂部截面面積A在300mm²～500mm²范圍內(nèi)。

5)根據(jù)厚度分布規(guī)律，使用樣條Bezier樣條曲線擬合截面葉型內(nèi)弧2 和背弧3，葉型前緣和尾緣型線使用小圓代替，內(nèi)弧2、背弧3與小圓相切，如圖5所示，Bezier樣條曲線控制點(diǎn)P的數(shù)目為5-10個(gè)，定義與步驟3)中一致。

6)根據(jù)N個(gè)截面葉型型線，使用曲面樣條生成葉片曲面，如圖6、圖7所示。

7)選定葉根5、拉筋凸臺(tái)6和圍帶7的形式，完成三維葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖8所示。

通過(guò)上述方法，首先就固定沿葉高各截面葉型中弧線1，可以很好的保證葉片進(jìn)、出口氣流角按照設(shè)計(jì)要求分布，保證良好的氣動(dòng)性能，同時(shí)厚度曲線選擇能很好地滿足強(qiáng)度、振動(dòng)要求，保證所設(shè)計(jì)的工業(yè)汽輪機(jī)末級(jí)扭葉片工作安全可靠。

現(xiàn)有技術(shù)采用離散點(diǎn)記錄葉型截面輪廓，并通過(guò)人工調(diào)整各點(diǎn)坐標(biāo)來(lái)獲得葉型輪廓的方法非常繁瑣不便，而完全參數(shù)化的葉型又很難保證葉型型線的氣動(dòng)性能，本發(fā)明在厚度分布曲線基礎(chǔ)上進(jìn)行樣條曲線擬合控制，只需要有限的控制點(diǎn)P即可完成葉型造型，即保證了所得型線的良好氣動(dòng)性能，設(shè)計(jì)操作又十分方便，可以快速地獲得整個(gè)三維葉柵輪廓。

現(xiàn)有技術(shù)多采用的使用多個(gè)截面葉型沿徑向按指定規(guī)律積疊獲得三維葉型的造型方法，在對(duì)某個(gè)截面進(jìn)行調(diào)整時(shí)，十分容易出現(xiàn)葉型型線畸變和葉片表面不能光順的問(wèn)題，本發(fā)明使用的中弧線控制方法，可以方便快捷的實(shí)現(xiàn)葉片微調(diào)，并能有效地避免上述問(wèn)題。

綜上所述，本發(fā)明大型工業(yè)汽輪機(jī)末級(jí)扭葉片設(shè)計(jì)方法，葉片采用中弧線控制，保證葉片進(jìn)、出口氣流角按照設(shè)計(jì)要求分布，截面葉型型線基于厚度分布曲線確定，并使用樣條曲線(如Bezier曲線)進(jìn)行參數(shù)化，即保證了葉型的良好氣動(dòng)性能，又保證了型線的光滑過(guò)渡，方便高效的生成氣動(dòng)性能優(yōu)異的工業(yè)汽輪機(jī)末級(jí)扭葉片。所以，本發(fā)明有效地克服了現(xiàn)有技術(shù)中一些缺點(diǎn)，具有明顯的產(chǎn)業(yè)利用價(jià)值。

上述實(shí)施例僅例示性說(shuō)明本發(fā)明的原理及優(yōu)點(diǎn)，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術(shù)的認(rèn)識(shí)皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行修飾或改變。因此，舉凡所述技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識(shí)者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。