一种具备反向转动功能的涡轮叶片设计方法与流程

本发明专利属于船用燃气轮机叶片设计领域，应用于一种具备反向转动功能的涡轮叶片设计方法。

背景技术：

1、可倒车燃气轮机由于具有倒车功率密度大、启动迅速等特点，受到了各国青睐，成为船舶主要动力装置之一。可倒车燃气轮机采用了双燃气通道+双层涡轮叶片的设计思想，外通道为倒车通道。内通道为正车通道，通过前端的燃气切换机构实现燃气流动路线的分配，当燃气只流过下层涡轮叶片时，涡轮转子正向转动，当燃气只流过上层涡轮叶片时，涡轮转子反向转动。双层涡轮叶片作为可倒车燃气轮机中的核心部件，其运行的可靠性直接关系到燃气轮机整机的安全性。

2、不同于传统单层叶片的设计方法，具备反向转动功能的涡轮叶片由于具有双层结构，使得在正车叶片和倒车叶片之间必须使用过渡段结构，过渡段结构不仅用于连接正车叶片和倒车叶片，还用于分割内外通流，防止燃气在两个通流之间流动，并且由于正/倒车叶片近似对称的布置特点，使得在过渡段结构设计较为复杂。增加倒车叶片后，叶片质量增加，离心力增加，对榫齿等连接结构的设计也提出了更高要求。除此之外，由于双层叶片结构复杂，振动问题会相对突出，因此，在双层涡轮叶片的设计中应充分考虑叶片的减振设计。

3、目前，在具备反向转动的涡轮叶片设计方法方面，国内外几乎没有研究人员进行研究，也鲜有关具备反向转动的涡轮叶片设计方法方面的报道。为解决反向转动的涡轮叶片设计中的难点，本发明提供了一种具备反向转动功能的涡轮叶片设计方法。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了解决具备反向转动功能的涡轮叶片在设计中遇到的难题，提供的一种具备反向转动功能的涡轮叶片设计方法，获得高可靠性、长寿命的具备反向转动功能的涡轮叶片。

2、本发明的目的是这样实现的：步骤如下：

3、步骤一、通过气动计算，获得满足性能指标要求的正/倒车叶片的气动型线、通流结构、叶片数量；根据倒车叶片数量和正车叶片数量，确定具备反向转动功能的涡轮叶片为1带n的结构，即1片正车叶片带n片倒车叶片。

4、步骤二、具备反向转动功能的涡轮叶片主要由正车叶片、倒车叶片、过渡段、榫齿等结构组成，其中正车叶片与倒车叶片通过过渡段进行连接，建立初步的具备反向转动功能的涡轮叶片结构。

5、步骤三、为了降低叶片质量，过渡段结构设计为中空结构，考虑到倒车叶片位于正车叶片顶部，并且由于正/倒车叶片近似对称的布置特点，即倒车叶片叶型与正车叶片叶型相互交叉，必然导致过渡段位置存在较大的应力集中区域，因此本发明提出的过渡段结构除了使用周向加强筋外，将正车叶片延伸至倒车叶片的根部，使得过渡段中间位置增加了正车叶片随形的加强筋，保证过渡段的结构强度。

6、步骤四、将过渡段旋转一定角度，使得过渡段变为预扭结构，相邻叶片之间的过渡段相互配合，构成整圈结构，通过调整预扭角度来调整叶片固有频率，避免叶片发生共振。

7、步骤五、增加倒车叶片后，叶片质量增加，使得榫齿连接位置的受力恶化，因此将倒车叶片设计为空心结构，中间使用加强筋连接叶身的叶盆侧和叶背侧。

8、步骤六、强度计算：在涡轮叶片强度计算时，除传统单层叶片考虑的影响因素外，还需要考虑涡轮叶片在反转过程中搅动空气的生热情况。通过仿真计算获得涡轮叶片在额定工况下的反转生热量。在考虑涡轮叶片反转生热影响的前提下，计算额定工况下的涡轮叶片的温度场分布，以温度载荷、离心载荷、气动载荷、位移约束为边界完成强度计算和振动计算。

9、步骤七、通过强度计算获得涡轮叶片变形量，进一步调整正/倒车叶片的通流尺寸。

10、步骤八、在获得以上结果的基础上，调整涡轮叶片结构。

11、步骤九、针对大应力位置，对涡轮叶片进行结构优化。在榫齿位置可增加榫齿的轴向长度，或者调整榫齿型线，降低榫齿受力。在过渡圆角位置可增加圆角尺寸，降低应力。

12、步骤十、重新进行强度计算和振动计算，当结果满足使用要求时，完成具备反向转动功能的涡轮叶片设计，否则重新调整涡轮叶片结构，重新进行计算，直至满足使用要求。

13、本发明还包括这样一些结构特征：

14、1.随形加强筋是将正车叶片延伸至倒车叶片的根部组成的。

15、2.倒车叶片内部结构为空心结构，使用三处加强筋连接叶身的叶盆侧和叶背侧。

16、3.过渡段可设计为预扭结构，调整叶片振动频率。

17、4.强度计算中考虑涡轮叶片反转生热对强度计算结果的影响。

18、与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提供了一种具备反向转动功能的涡轮叶片设计方法，解决了具备反向转动功能的涡轮叶片在设计过程中的难题。该方法充分考虑了具备反向转动功能的涡轮叶片的结构特点，即增加倒车叶片后，叶片质量增加，离心力增加，增加了涡轮结构强度设计的难度，并且正/倒车叶片近似对称布置的结构特点，使得过渡段的结构设计较为复杂，除此之外，由于具备反向转动功能的涡轮叶片结构相对复杂，振动问题会比较突出。本发明提出的设计方法以降低叶片应力、避开共振、获得高可靠性、长寿命的涡轮叶片为目标，在设计方法中创新性的提出了具有预扭功能的过渡段、随形加强筋等设计方法。

技术特征：

1.一种具备反向转动功能的涡轮叶片设计方法，其特征在于，步骤如下：

2.根据权利要求1所述的一种具备反向转动功能的涡轮叶片设计方法，其特征在于：随形加强筋是将正车叶片延伸至倒车叶片的根部组成的。

3.根据权利要求1所述的一种具备反向转动功能的涡轮叶片设计方法，其特征在于：倒车叶片内部结构为空心结构，使用三处加强筋连接叶身的叶盆侧和叶背侧。

技术总结
本发明提供一种具备反向转动功能的涡轮叶片设计方法，该方法充分考虑了具备反向转动功能的涡轮叶片的结构特点，即增加倒车叶片后，叶片质量增加，离心力增加，增加了涡轮结构强度设计的难度，并且正/倒车叶片近似对称布置的结构特点，使得过渡段的结构设计较为复杂，除此之外，由于具备反向转动功能的涡轮叶片的振动问题相对突出。本发明提出的设计方法以降低叶片应力、避开共振、获得高可靠性、长寿命的涡轮叶片为目标，在设计方法中创新性的提出了具有预扭功能的过渡段、随形加强筋等设计方法。通过本发明提出的设计方法可以获得高可靠性、长寿命的涡轮叶片。本发明具有操作简单、考虑因素全面的特点。

技术研发人员：李宗全,安仲玉,马涛,霍玉鑫,牛夕莹,刘勋,姜海燕,傅琳
受保护的技术使用者：中国船舶重工集团公司第七0三研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/11