降低透平机械调节级低频气流激振力的喷嘴组首尾块结构的制作方法

本发明属于汽轮机技术领域，具体涉及一种降低透平机械调节级低频气流激振力的喷嘴组首尾块结构。

背景技术：

汽轮机组为了应对负荷调整需求，需要调整汽轮机的进汽量，而部分进汽方式作为一种高效、快速的调节方法得到了广泛的应用。调节级的喷嘴通常分为若干喷嘴组，每一组均有若干喷嘴块组成。对于第一级喷嘴组的构造，通常由内外环，铣制的喷嘴块，首块及尾块组装而成。对于部分进汽调节时，不仅存在喷嘴组关闭引起的部分进汽低频气流激振力，同时存在喷嘴组首块与尾块对应的不进汽区域导致的低频气流激振力。低频气流激振力是叶片强迫振动的重要原因，较高的低频气流激振力，会加速叶片疲劳断裂，严重影响机组安全运行。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种降低透平机械调节级低频气流激振力的喷嘴组首尾块结构，其能够减小由于部分进汽引起的局部低频气流激振力，从而降低机组振动，提高安全性。

为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：

降低透平机械调节级低频气流激振力的喷嘴组首尾块结构，该首尾块结构的截面外轮廓包括同心的外圆弧与内圆弧，将调节级喷嘴分成若干喷嘴组；其中，首尾块结构沿轴向方向，喷嘴前缘附近的进汽侧与隔板前缘附近区域平齐，喷嘴尾缘附近的出汽侧向进汽侧方向凹陷。

本发明进一步的改进在于，首尾块凹陷区域沿径向方向，其外圆与内圆分别与喷嘴流道上端面半径r2，及下端面半径r1相同。

本发明进一步的改进在于，首尾块凹陷区域沿轴向方向，使得喷嘴尾缘与凹陷轴向壁面距离d满足，其中ca为喷嘴轴向弦长。

本发明进一步的改进在于，靠近喷嘴区域，首块与尾块沿着对应的喷嘴弧线向进汽侧凹陷。

与现有技术相比，本发明具有如下的技术效果：

本发明提供的一种降低透平机械调节级低频气流激振力的喷嘴组首尾块结构，重点针对调节级喷嘴组衔接处由于进汽突变导致的低频气流激振力，通过构建新型的过渡区域流动结构，有效的降低该区域突增或突降的气流力激振幅值，最终降低了机组振动及叶片疲劳断裂的风险。本发明原理清晰，结构简单，制造方便，适合应用于多数透平机械调节级。

实验证明，通过本发明结构建模，最高轴向气流激振力幅值降低十分明显，即a2处幅值降低高达30％以上。

附图说明

图1为一种具有四组喷嘴组的调节级喷嘴组结构示意图(进汽侧视角)。

图2为一种具有四组喷嘴组的调节级喷嘴组结构示意图(a-a剖面)。

图3为部分进汽透平机械在喷嘴组衔接段气流力示意图。

图4为本发明一种降低透平机械调节级低频气流激振力的喷嘴组首尾块结构示意图。

图中：1-喷嘴，2-首块，3-尾块。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

在介绍本发明之前，首先对喷嘴组衔接段部分进汽诱导的低频气流激振力产生机理进行一个简单介绍，有利于理解本发明的必要性与创新性。

参见图1，为一种具有四组喷嘴组的调节级喷嘴组结构示意图(进汽侧视角)。当机组全负荷运行时，四个喷嘴组全开，提高进汽量，从而提高机组功率；当外界负荷要求降低，机组降负荷运行时，会关闭1-3个喷嘴组，降低进汽量，从而降低机组功率。目前机组单一负荷调整主要分为节流配汽，喷嘴配汽，滑压配汽。相对节流配汽而言，喷嘴配汽(喷嘴组部分进汽方式)在低负荷时可以减小进汽弧段面积，从而提高叶片设计高度，因此降低二次流等损失，提高机组运行效率；相对于滑压配气，喷嘴配汽又能够快速启闭调节阀，从而实现负荷的快速响应。因此喷嘴配汽作为一种高效、快速的调节方法得到了广泛的应用。调节级的喷嘴通常分为若干喷嘴组，每一组均有若干喷嘴块组成，上下隔板的喷嘴组之间用首块及尾块进行隔离。其中，喷嘴组区域为进汽区域，首尾块区域为非进汽区域。

参见图2，为一种具有四组喷嘴组的调节级喷嘴组结构示意图(a-a剖面)。以喷嘴1下游对应的动叶为例(图示仅为喷嘴，尚未标出动叶)，当喷嘴组开启时，动叶会经历喷嘴组进汽区域，首尾块非进汽区域，继而进入喷嘴组进汽区域。因此动叶在喷嘴组进汽部分与首位块非进汽部分将承受交替的低频气流激振力。

参见图3，为部分进汽透平机械在喷嘴组衔接段气流力示意图。首先分析动叶承受的切向气流激振力，动叶从喷嘴组进汽部分向首尾块非进汽部分过渡时，由于吸力面首先进入非进汽区域，因此切向气流激振力突增，产生冲击力a1；随着动叶旋转，动叶从首尾块非进汽部分向喷嘴组进汽部分过渡时，同样是吸力面首先进入喷嘴组进汽部分，因此切向气流力突降，产生冲击力b1。对于动叶承受的轴向气流激振力，动叶从喷嘴组进汽部分向首尾块非进汽部分过渡时，由于周向流体快速抽吸，因此流体产生切向高速运动，导致此时的动叶进口压力突降，因此动叶轴向力快速下降，产生冲击力a2；随着动叶旋转，动叶从首尾块非进汽部分向喷嘴组进汽部分过渡时，由于此时动叶进口受进汽来流影响，压力会增大，而动叶出口压力较小，因此产生冲击力b2。

而瞬态的气流力可由以下公式获得：

叶栅切向气流力幅值：pu＝∫l∫s(pps-pss)cosβdsdl

叶栅轴向气流力幅值：pz＝g(c1z-c2z)+(p1-p2)a

式中：pz为单只动叶轴向气流力幅值，pu为单只动叶切向气流力幅值，g为单通道动叶流量，a为单通道动叶进汽面积，c1z与c2z分别为动叶进口速度轴度，pps与pss分别是动叶压力面与吸力面压力，s为动叶叶型周长，l为动叶叶高，β为动叶u轴与动叶基元表面ds的法向夹角。

参见图4，为本发明一种降低透平机械调节级低频气流激振力的喷嘴组首尾块结构示意图。由图可知，通过首尾块向内凹陷产生的流体腔室，主要起到两个方面作用。第一，流体腔室可以存储工质，具有一定的流动缓冲作用，因此对应首尾块下游区域，动叶进口压力相对图2常规结构更加均匀。第二，流体腔室在一定程度上增加了流体周向流动面积，因此降低了喷嘴进汽部分到首尾块非进汽部分的流动切向速度，从而提高首尾块下游区域的动叶进口压力。下面来具体解释一下，该结构对动叶气流激振力降低的过程。

首先分析动叶承受的切向气流激振力，动叶从喷嘴组进汽部分向首尾块非进汽部分过渡时，吸力面首先进入非进汽区域，由于首尾块存在流动腔室结构，腔室区域动叶进口压力有所提高，因此吸力面压力pss下降程度相比常规结构降低，而压力面压力保持基本不变，故动叶压力面与吸力面的压差相比图2常规结构有所下降，故此时动叶承受的切向气流冲击力a1下降；随着动叶旋转，动叶从首尾块非进汽部分向喷嘴组进汽部分过渡时，同样是吸力面首先进入喷嘴组进汽部分，由于a1附近区域气流抽吸作用，会导致腔室内部b1相邻区域压力降低，因此当吸力面刚刚进入进汽区域时，此时压力面仍在压力较小的腔室内部，故切向冲击力b1幅值会略微增加，但是由于腔室缓冲作用，影响相对较小。

对于动叶承受的轴向气流激振力，动叶从喷嘴组进汽部分向首尾块非进汽部分过渡时，由于流动腔室工质缓冲作用，周向流体抽吸作用减弱等多种因素影响下，喷嘴出口压力p1下降程度相较图2常规结构降低，故此时，负轴向冲击力a2减弱；随着动叶旋转，动叶从首尾块非进汽部分向喷嘴组进汽部分过渡时，同样由于a2附近区域压力气流抽吸作用，会导致腔室内部b2相邻区域压力降低，因此当吸力面刚刚进入进汽区域时，此时压力面前缘仍在压力较小的腔室内部，故轴向冲击力b2幅值会略微变化，但是由于腔室缓冲作用，影响相对较小。

因此，总体来说本发明流动腔室起着缓冲均匀作用，最高轴向或切向气流激振力幅值会朝向降低的方向发展。以某300mw调节级为例，通过本发明结构建模，最高轴向气流激振力幅值降低十分明显，即a2处幅值降低高达30％以上。

另外，由于腔室周向端壁为喷嘴型线结构，因此腔室中流体在抽吸到下游动叶时，仍能够在一定程度保持较高的流动效率。

本发明的设计要点是合理的疏导首尾块区域的流动，从而极大程度降低气流局部激振力，为保证部分进汽透平安全运行具有重要意义。此外，本发明设计合理，结构简单，成本低廉，适用于多数汽轮机机组中的调节级。