专利名称：一种冲动式涡轮机后加载静叶片的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种主要用于各类冲动式涡轮机，特别是用于冲动式涡轮机亚音速级静叶栅的后加载静叶片。
涡轮机主要是指蒸汽轮机、燃气轮机和航空发动机等一类以气体膨胀作功产生动力的能源动力设备，在国民经济各个领域中广泛应用。冲动式涡轮机在涡轮机中占很大比例，特别是在火力发电用蒸气轮机中，冲动式汽轮机占一半以上。
冲动式涡轮机的能量转换部件，主要包括固定在转轴轮盘上的若干排动叶片，和固定在外壳隔板上的若干排静叶片。静叶片与动叶片间隔布置，当高温、高压、高速流动的气体穿过由静叶片和动叶片形成的气流通道时，逐级膨胀作功，推动动叶带动转轴高速旋转，对外输出机械功。
气体流过气流通道时，会产生各种气动热力学损失，该损失的大小直接与涡轮机效率相关。由两排相邻静叶片和动叶片构成的气流通道称为涡轮机的级，在级的气动热力学损失中，静叶片部分占很大比例。
由同一排静叶片构成的通流部件称为静叶栅，静叶片在某一半径处的截面形状称为叶型，两个相邻静叶片之间的区域称为静叶栅气流通道，气流通道的几何尺寸、形状特征和气动热力学性能，全都取决于叶型的设计，叶型的设计过程称为造型。
在已公知技术中，静叶片造型的传统设计技术方案有很多，应用也很广泛，但从气动热力学性能来看，都不同程度地存在气动热力学损失较大，以及对气流方向适应性较差等不足。
以下结合附图作简要介绍。
图1是一种冲动式汽轮机亚音速级静叶片的叶型，以及由其构成的静叶栅气流通道。
图2是
图1的局部放大图。
图1和图2所示的静叶片1的叶型由一个吸力面2、一个压力面3、一个头部4和一个尾部5四段曲线光滑连接而成，吸力面2与压力面3各为一段光滑曲线，头部4和尾部5各为一段圆弧线。两个相邻的叶型之间形成一个收缩的气流通道6，气体以气流速度C0和气流方向角α0进入通道6，逐渐加速流出，然后进入动叶气流通道，气流通道6的出口处最窄，称为喉部Os。叶型弦线7的长度称为弦长bs，相邻叶型沿圆周方向的距离称为节距ts,ts与bs之间的夹角称为叶型安装角βs,ts/bs表示叶栅中叶片的稠密程度，称为叶栅稠度。在叶型内部任何位置作叶型的内切圆，其直径Ds称为叶型厚度，叶型内一系列内切圆圆心的连线称为叶型中弧线8，中弧线8是一段起止点在弦线7两端，中间部分拱起的光滑曲线，其拱起程度称为叶型弯度δs。
冲动式汽轮机亚音速级静叶栅内气体流动的基本特点是，气流必须沿流动方向加速前进，同时产生压力降，这时在叶片吸力面2与压力面3之间必定产生一定的压力差，也称为气动负荷。传统设计的静叶栅气流通道6的进口附近压力差很大，因而最大气动负荷分布在叶片的前半部分，称为前加载静叶片。前加载静叶片进口处的气流，容易在很大的压力差作用下与叶片表面发生分离，造成较大的气动热力学损失，尤其是在气流速度和气流方向偏离设计值(即变工况)时，上述情况更容易发生。另外，由前加载静叶片构成的静叶栅，还容易产生较强的二次涡流，进一步加大了三维空间上的气动热力学损失。
本实用新型的目的，是提供一种用于静叶栅的后加载静叶片，通过改变气动负荷的分布规律，以改善静叶栅内气体流动状况，同时改善静叶栅的变工况性能。
本实用新型的目的是这样实现的与传统设计的静叶片相比，后加载静叶片叶型的头部厚度减小，最大厚度增大，叶型厚度和弯度变化平缓，最大弯度位置后移，吸力面与压力面进行光顺修整，选择适当的叶型安装角和叶栅稠度，构造静叶栅气流通道。上述静叶片造型，可使静叶栅气流通道进口附近压力差减小，最大气动负荷位置向后移到叶片后半部分，叶片对气流速度及气流方向适应能力(即变工况性能)增强，不容易发生流动分离，特别是静叶片后加载特性产生的三维空间效应十分明显，可以有效地抑制、延缓和削弱叶栅通道二次涡流的发生和发展，进一步降低气动热力学损失。
图1即是本实用新型后加载静叶片的叶型，以及由其构成的静叶栅气流通道的示意图。
图2是
图1的局部放大图。
图3是一种典型的传统设计的前加载静叶片的叶型，以及由其构成的静叶栅气流通道的示意图。
图4是后加载静叶片的叶型示意图。
图5是传统设计的前加载静叶片的叶型示意图。
图6是两种静叶片的叶型厚度沿弦长分布规律的对比图。
图7是两种静叶片的叶型弯度沿弦长分布规律的对比图。
图8是两种静叶片上的气动压力和气动负荷分布规律的对比图。
图9是两种静叶栅内的气动热力学总损失和气流方向适应性的对比图。
以下结合附图，对本实用新型提出的技术方案及实施例的技术特征作详细说明。
图1和图2．所示的本实用新型后加载静叶片1的叶型，以及由其构成的静叶栅气流通道6，其特征是，叶型安装角βs为38°～48°，叶栅稠度ts/bs为0.54～0.82。
图4所示的后加载静叶片1的叶型，其特征是，叶型头部4的厚度Ds1为弦长bs的5～10％；叶型尾部5的厚度为0.4～0.6毫米；最大厚度Dsmax为弦长bs的25～30％,Dsmax位于叶型前半部分弦长bs的20～30％处；叶型中弧线8的最大弯度δsmax为弦长bs的20～25％,δsmax位于叶型前半部分弦长bs的35～45％处；叶型吸力面2和压力面3分别是一阶导数光滑、二阶导数连续的光顺曲线，这种型线可使气流速度变化率连续平滑，不容易产生流动分离。
图5所示的传统设计的前加载静叶片1的叶型，其特征是，叶型头部4的厚度Ds1为弦长bs的10～20％；最大厚度Dsmax为弦长bs的15～20％；中弧线8的最大弯度δsmax位于叶型前半部分弦长bs的25～35％处；叶型吸力面2和压力面3分别是由一段或儿段圆弧连接而成的光滑(二阶导数不连续)曲线，这种叶片型线虽然加工比较方便，但容易产生较大的气体流动分离损失。
图6所示的后加载静叶片1的叶型厚度Ds沿弦长bs的分布曲线(实线)，与传统设计前加载静叶片厚度分布曲线(虚线)相对比，头部厚度减小一半，最大厚度增大三分之一，叶型截面积增大，因而叶片刚性也相应增大。
图7所示的后加载静叶片1的叶型弯度δs沿弦长bs的分布曲线(实线)，与传统设计前加载静叶片叶型弯度分布曲线(虚线)相对比，最大弯度相当，但最大弯度位置后移，使弯度变化更平缓。
图8所示的后加载静叶片1的吸力面2上气动压力P沿弦长bs的分布曲线(下方实线)和压力面3上气动压力P的分布曲线(上方实线)，与传统设计前加载静叶片压力分布曲线(虚线)相对比，后加载静叶片最大气动负荷Fsmax位于叶型后半部分弦长bs的55～75％处，而前加载静叶片的最大气动负荷Fsmax则位于叶型前半部分弦长bs的20～40％处。
图9所示的后加载静叶片1构成的后加载静叶栅中三维空间气动热力学总损失系数ξ对气流方向角α0的适应性曲线(实线)，与传统设计的前加载静叶栅气流方向适应性曲线(虚线)相对比，后加载静叶栅的气动热力学总损失相对下降20％，并且在气流方向角为90°±30℃范围内，总损失系数ξ不变，而传统设计的前加载静叶栅在α0为90℃±20℃范围以外时，气动热力学性能即开始恶化。
本实用新型提出的后加载静叶片的实施例，是用于200MW、100MW大型冲动式汽轮机亚音速级的重新设计，与产品结构尺寸相适应，新设计的各级静叶片弦长bs的范围为42～140毫米。上述实施例已应用于大型火力发电厂老汽轮机组的更新技术改造，并获得成功。
权利要求一种用于冲动式涡轮机，特别是用于冲动式汽轮机亚音速级静叶栅的后加载静叶片，该后加载静叶片(1)的叶型由一个吸力面(2)、一个压力面(3)、一个头部(4)和一个尾部(5)四段曲线光滑连接而成，二个静叶片(1)即构成一个收缩的静叶栅气流通道(6)，其特征在于，叶型的安装角βs为38°～48°；叶型头部(4)的厚度为弦长的5～10％；最大厚度为弦长的25～30％，其位置在叶型的前半部分，位于弦长的20～30％处；叶型中弧线(8)的最大弯度为弦长的20～25％，其位置在叶型的前半部分，位于弦长的35～45％处；由静叶片(1)构成的静叶栅气流通道(6)的叶片稠度为0.54～0.82。
专利摘要本实用新型提出了一种主要用于各类冲动式涡轮机,特别是冲动式汽轮机亚音速级静叶栅的后加载静叶片,其主要技术特征是,将汽流作用于叶片表面所生成的气动负荷的最大值分布在静叶片的后半部。由本实用新型静叶片构成的静叶栅,气动热力学总损失可比以往的传统叶栅大幅度下降,变工况性能也有明显改善。
文档编号F01D5/14GK2328790SQ9721654
公开日1999年7月14日 申请日期1997年5月13日 优先权日1997年5月13日
发明者蒋洪德, 徐星仲, 朱斌, 俞镔, 谭春青 申请人:北京全三维动力工程有限公司