大型工业汽轮机末级扭叶片设计方法与流程

本发明涉及一种大型工业汽轮机末级扭叶片，特别是一种大型工业汽轮机末级扭叶片设计方法。

背景技术：

为提高火力发电站热效率，电站给水泵采用汽轮机拖动来降低能耗。近年来，在“节能减排”背景下超临界及超超临界燃煤发电机组相继投产，相应的驱动给水泵汽轮机也呈现大型化趋势，而我国在大型电站驱动给水泵用工业汽轮机多为外国进口，引进设备成本高，对国家能源、经济安全也是隐患。

叶片是汽轮机的核心，大型电站驱动给水泵用工业汽轮机末级扭叶片长、转速高且变化范围大、容积流量大、负荷大、在湿蒸汽区运行，叶片离心力大、振动特性复杂，同时需要保证叶片有高的效率。低压级叶片核心技术长期为发达国家垄断，急需开发具有自主知识产权的大型电站驱动给水泵用工业汽轮机叶片，实现我国大型电站驱动给水泵用工业汽轮机国产化。

在汽轮机叶片设计中，通常的方法是预先建立标准叶型库，应用时在标准叶型库中选用型线，标准叶型库中的型线一般是按照进汽角等关键参数分类归档的，每档有一个标准叶型，一般标准型线是不连续的，因此不能保证叶型与气流角要求完全一致，不能避免攻角损失。目前还有一种较为流行的完全参数化叶片设计，使用关键参数(进出汽角、安装角、弦长等)和样条叶型型线，控制截面叶型，再给定积叠规律实现叶片三维造型，该方法可以快速实现直叶片或扭转较小叶片的造型和优化，但对于扭转较大的末级叶片，使用该方法实现不同叶高截面叶型匹配和改进优化时，容易出现叶型型线畸变和叶片表面不能光顺的问题。

技术实现要素：

鉴于以上所述的现有技术缺点，本发明的目的在于提供一种大型工业汽轮机末级扭叶片设计方法，用于解决现有扭叶片造型技术中不同叶高截面叶型匹配时叶型型线容易畸变、叶片造型优化表面不易光顺的问题。

为实现上述目的及其他相应目标，本发明提供一种大型工业汽轮机末级扭叶片设计方法，包括以下步骤：

1)使用一维快速热力设计，实现各级初步焓将分配，确定各级平均半径位置叶型进、出口气流角，初步得到子午面图；

2)选定扭转因子，根据末级子午流面及平均半径位置叶型参数，应用基于流线曲率的S2方法确定末级叶片沿叶高叶型截面进口气流角分布规律；

3)将叶片沿叶高方向分为N个截面，根据工业汽轮机末级叶片设计规律，选定叶根截面和叶顶截面中弧线弦长，根据进口汽流角，使用样条曲线(如Bezier曲线)构造出沿叶高各截面叶型中弧线；

4)根据沿叶高各截面中弧线和进口气流角，考虑到强度、振动要求，确定厚度分布规律，在厚度分布曲线数据库中查取合适的厚度分布曲线；

5)根据厚度分布规律，使用样条曲线(如Bezier曲线)拟合截面叶型背弧和内弧，叶型前缘和尾缘使用小圆代替，背弧、内弧与小圆相切；

6)根据各截面叶型型线，使用曲面样条生成叶片曲面；

7)选定叶根、拉筋凸台和围带形式，完成三维叶片结构设计。

作为优选：

所述的步骤3)中沿叶高叶型截面的数目N为11～19个。

所述的步骤3)中叶片根部弦长在120mm～160mm范围内，叶片顶部弦长在60～90mm范围内。

所述的步骤4中厚度分布曲线选择需保证叶片根部截面面积在1800mm²～2200mm²范围内，叶片顶部截面面积在300mm²～500mm²范围内。

所述的步骤5)中背弧、内弧的样条曲线控制点P的数目为5～10个。

如上所述，本发明大型工业汽轮机末级扭叶片设计方法，具有以下有益效果：

该大型工业汽轮机末级扭叶片设计方法，实际为一种半参数化叶片设计方法。叶片中弧线为参数化设计，在叶片设计初期，可以通过调整叶片扭曲因子实现叶片中弧线分布规律变化，直观可靠，当对叶片进行进一步改进优化时，可直接调整指定截面中弧线形状，简单快速地达到需求效果。截面叶型背弧、内弧型线使用已有的厚度分布曲线库数据，可以保证叶片具有良好的气动性能，同时能有效避免各截面叶型匹配和改进优化过程中容易出现型线畸变和叶片表面不光顺的问题。

附图说明

图1显示为本发明设计方法步骤2)的示意图；

图2显示为本发明设计方法步骤3)的示意图；

图3显示为本发明设计方法步骤4)叶高和厚度曲线的示意图；

图4显示为本发明设计方法步骤4)截面相对厚度与相对轴向弦长的曲线示意图。

图5显示为本发明设计方法步骤5)的示意图；

图6显示为本发明设计方法步骤6)的示意简图；

图7显示为本发明设计方法步骤6)的网格示意图；

图8显示为本发明设计方法步骤7)的示意图。

元件标号说明

1 中弧线

2 内弧

3 背弧

4 叶身

5 叶根

6 拉筋凸台

7 围带

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方法，本领域技术人员可以由本说明书所叙述的内容轻易地了解本发明所具有的优点。本发明还可以通过另外不同的具体实例实施方式加以实施和应用，本说明书中的各项细节也可以在没有背离本发明的精神下进行各种修饰和改变，实施不同观点与应用。

请参阅图1至图8。需要说明的是，本实施实例中所提供的图示仅以示意图方式说明本发明的基本构想，因此图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、尺寸及形状绘制，实际实施时各组件的数目、尺寸及形状可以随意改变，且其组件布局形态具体形态也可能更为复杂。

本发明大型工业汽轮机末级扭叶片设计方法，包括以下步骤：

1)使用一维快速热力设计，实现各级初步焓将分配，确定各级平均半径位置叶型进口气流角α、出口气流角β，初步得到子午面图。

2)选定扭转因子z，根据经过步骤1)获得的末级子午流面及平均半径位置叶型参数，应用基于流线曲率的S2方法确定末级叶片沿叶高叶型截面进口气流角α和出口气流角β的分布规律，如图1所示。

3)将叶片沿叶高方向分为N个截面，其中横截面数量N为11至19个，如图6所示，根据工业汽轮机末级叶片设计规律，选定叶根截面和叶顶截面叶型中弧线1的弦长b(即叶型截面前缘小圆圆心与尾缘小圆圆心之间的直线距离)，根部叶型截面弦长b在120mm～160mm范围内，顶部叶型弦长b在60～90mm范围内。对于每个横截面根据进口气流角α，使用Bezier样条曲线构造出截面叶型中弧线1，并将所有的中弧线1按照某种重叠(例如尾缘重叠、前缘重叠等)规律放置在一起，形成如图2所示的图，可以清晰地反映叶片的扭曲规律，并能对指定的中弧线1进行微调。

Bezier样条曲线的定义为：

其中，

如图5所示，由Bezier样条曲线定义可知，可通过调整控制点，得到不同的中弧线1形状。

4)根据沿叶高各截面中弧线1和进口气流角α，并考虑强度、振动要求确定厚度分布规律，如图3、图4所示。厚度分布曲线来自于厚度分布曲线数据库，厚度分布曲线是反映中弧线1为直线的原始叶型沿弦长b从叶型前缘到尾缘叶型相对厚度C(即相对于弦长b的百分比)的分布规律。对于工业汽轮机，厚度分布曲线选择需要保证叶片根部截面面积A在1800mm²～2200mm²范围内，叶片顶部截面面积A在300mm²～500mm²范围内。

5)根据厚度分布规律，使用样条Bezier样条曲线拟合截面叶型内弧2 和背弧3，叶型前缘和尾缘型线使用小圆代替，内弧2、背弧3与小圆相切，如图5所示，Bezier样条曲线控制点P的数目为5-10个，定义与步骤3)中一致。

6)根据N个截面叶型型线，使用曲面样条生成叶片曲面，如图6、图7所示。

7)选定叶根5、拉筋凸台6和围带7的形式，完成三维叶片结构设计，如图8所示。

通过上述方法，首先就固定沿叶高各截面叶型中弧线1，可以很好的保证叶片进、出口气流角按照设计要求分布，保证良好的气动性能，同时厚度曲线选择能很好地满足强度、振动要求，保证所设计的工业汽轮机末级扭叶片工作安全可靠。

现有技术采用离散点记录叶型截面轮廓，并通过人工调整各点坐标来获得叶型轮廓的方法非常繁琐不便，而完全参数化的叶型又很难保证叶型型线的气动性能，本发明在厚度分布曲线基础上进行样条曲线拟合控制，只需要有限的控制点P即可完成叶型造型，即保证了所得型线的良好气动性能，设计操作又十分方便，可以快速地获得整个三维叶栅轮廓。

现有技术多采用的使用多个截面叶型沿径向按指定规律积叠获得三维叶型的造型方法，在对某个截面进行调整时，十分容易出现叶型型线畸变和叶片表面不能光顺的问题，本发明使用的中弧线控制方法，可以方便快捷的实现叶片微调，并能有效地避免上述问题。

综上所述，本发明大型工业汽轮机末级扭叶片设计方法，叶片采用中弧线控制，保证叶片进、出口气流角按照设计要求分布，截面叶型型线基于厚度分布曲线确定，并使用样条曲线(如Bezier曲线)进行参数化，即保证了叶型的良好气动性能，又保证了型线的光滑过渡，方便高效的生成气动性能优异的工业汽轮机末级扭叶片。所以，本发明有效地克服了现有技术中一些缺点，具有明显的产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及优点，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的认识皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所述技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。