透平机械荷叶设计探究

【编者按】网学网工科论文频道为大家收集整理了“透平机械荷叶设计探究“提供大家参考，希望对大家有所帮助!

随着日益严峻的环境保护和能源高效利用的要求，以及社会经济的发展，提高透平机械的运行效率和安全可靠性，不仅可以节约有限的能源，提高经济效益，而且可以减少 CO2的排放，因此提高透平机械的气动性能和安全可靠性的关键技术研究具有现实的工程应用价值。提高透平机械气动效率的关键技术之一就是要提高透平机械通流部分的效率，透平机械通流部分的基本工作单元是透平级，透平级内损失约占透平机械内部损失的 60% ～70%，而叶片的型面损失和端壁次流损失约占透平级的 60% ～70%。为提高透平效率，国内外诸多学者和制造商对叶片的设计方法和通流结构进行了研究，提出了分流叶栅、光滑子午流道、隔板径向汽封、自带冠多齿汽封、静叶栅的弯、扭成型、后加载层流叶型、调节级子午收缩、优化可控涡等技术。因此研发先进的叶型及合理的三维成型以及透平级的设计，尽量减少静叶、动叶的叶型损失和端壁次流损失一直是透平机械高性能叶片设计和优化的热点研究领域［1，2］。

对于透平机械制造厂商来说，不仅要尽可能地提高叶片的效率和安全可靠性，同时要求尽可能地降低开发设计制造成本。例如作为汽轮机的能量转换关键部件叶片，其制造加工约占整个汽轮机机械加工量的 30% 以上。开发高负荷叶片，在保证输出功率的前提下，可以大幅度减少叶片数目。结合高负荷叶片设计的大焓降透平级，可以减少汽轮机通流部分的级数。日本东芝公司的250MW 到 450MW 汽轮机，高压缸加调节级只有7 级，中压缸 5 级。日立公司的 600MW 汽轮机的高压缸加调节级只有 7 级，中压缸 5 级。但是都采用增大根径来保证透平级的最佳速比，从而得到最佳的轮周效率。因此，在保证汽轮机运行安全可靠性的前提下，高负荷叶片和大焓降透平级的研发和应用将显著地减小汽轮机通流部分的结构尺寸和保持高效率，从而降低汽轮机制造成本及电厂建设和安装成本，提高汽轮机制造厂商的产品竞争力［3］。高负荷叶片是指增加叶片的负荷，主要应用于燃气轮机工业中。高负荷叶片设计可以提供通过增加每只叶片的负荷而减少透平级叶片的数目。一般采用 Zweifel 负荷系数［4］来定义叶片的负荷。其中 s 是叶片吸力面高度，Bx是轴向弦长，β1和β2分别是进口和出口气流角，u1和 u2分别是气流速度流线方向的分量。负荷系数 Zw可以通过确定叶片的数目和稠度来优化透平性能。目前在航空发动机涡轮的高负荷叶片设计是认为负荷系数 Zw大于 1． 15［5］。而对汽轮机叶片负荷设计中的负荷系数的具体数值还没有统一的认识，一般认为负荷系数 Zw大于0． 75 以上就是具有高负荷叶型特点的叶片。

1 高负荷叶片在燃气轮机中应用

现代航空发动机的低压涡轮效率已经达到很高水平，在此基础上期望继续提高效率变得非常困难，由于低压涡轮部件占整台发动机重量的近1 /3，降低其重量成为进一步提高发动机性能的关键技术。减轻发动机重量的关键在于减轻低压涡轮的重量，这就需要减少低压涡轮级的叶片数目，在给定涡轮级负荷的前提下，必须增加单个叶片的气动负荷，因此发展了区别于传统叶型的高负荷和超高负荷叶型。高负荷叶型由于负荷的增大，叶型的吸力面压力分布相比于传统叶型具有较大的差别，主要区别在于高负荷叶型的负荷分布具有前移的特征，进而导致叶栅内横向压力梯度增大，叶栅内的端部次流损失增加，同时流动具有较大的逆压梯度，易导致流动发生分离，因而使得高负荷叶型具有很高的叶栅损失。控制高负荷叶型的流动分离和减少二次流损失成为高负荷叶型发展与应用的关键技术和研究热点［6 －8］。国外在近 10 多年的时间内，针对涡轮高负荷叶片在叶型设计、边界层流动分离和控制以及气动性能方面开展了大量的实验测量、数值模拟和理论分析。Sjolander 等［9］利用风洞试验台开展了跨音速叶型不同负荷分布对其气动性能影响的实验研究，分别研究了气流攻角和出口马赫数对三种典型加载设计的叶型气动性能的影响特性。图1 是 Sjolander 等［9］开发了不同载荷方式下的叶型型线，分别是针对前加载叶型、中部加载叶型和后加载叶型型线。图 2 是不同加载方式的等熵马赫数分布的实验结果。Sjolander 等［9］实验研究结果表明: 后加载方式设计的叶型具有最佳的气动效率，其次是中部加载。而前加载叶型的气动性能最差。

英国剑桥大学的 Whittle 实验室的 Hodson 和Howell对高负荷低压涡轮叶片在定常和非定常气动性能及其影响因素方面开展了数值和实验研究工作。Hodson 和 Howell 在发展高负荷叶型的同时对影响高负荷叶型气动性能的有关因素进行了详细的实验和数值研究，分别开展进口 Re 数、进口湍流度、非定常上游尾迹等对高负荷叶片流动分离的影响。Hodson 的高负荷叶片的试验台是采用运动绕流柱结构开展非定常尾迹对高负荷叶片和超高负荷叶片的边界层及气动性能影响机理研究，获得了大量的实验数据和理论分析结果，为高负荷叶型的设计和工程应用奠定了坚实的理论基础和参考数据。图3 是在不同 Re 数下，高负荷叶片和超高负荷叶片在涡轮应用中对涡轮效率的影响。

Sonoda 等［10］采用遗传算法为优化方法，开展了总压损失和折转角最小为优化目标的先进高负荷跨音速叶型的优化设计工作。在优化得到的高负荷叶型的基础上，利用数值和实验方法对优化的高负荷叶型进行了气动性能的验证。图 4 和图5 是 Sonoda 等［10］设计优化的高负荷涡轮叶片型线和总压损失系数的比较。研究结果表明: 在等熵出口马赫数 1． 2 时优化的高负荷叶型相比于传统叶型具有 12%的能量损失下降。

德国 MTU 实验室的 Gier 等［11］经历了10 ～15年时间的研究旨在提高涡轮叶片的负荷，特别是针对低压涡轮叶片。图 6( 见下页) 是 Gier 等［11］研发设计的高负荷涡轮叶片压力系数分布的实验测量和数值模拟结果的比较。实验测量与数值模拟结果吻合良好，验证了设计优化得到的高负荷涡轮叶片气动性能的可靠性。Gier 等［11］设计研发了在负荷系数从 0． 86 提高到 1． 04、0． 95 提高到 1． 14、0． 96提高到1． 13 和1． 04 提高到1． 24 的高负荷新叶型。实验测量和数值模拟的结果可以证明: 在基本叶型基础上，实现了 20% ～ 50% 负荷增加的高负荷叶型设计。

2 高负荷叶片和大焓降级的研发应用

叶栅损失一般分为叶型损失、二次流损失和叶顶泄漏损失。叶型损失与叶片表面的附面层状态和特性有关，主要包括气流粘性引起的摩擦损失、附面层分离引起的涡流损失及出口尾迹损失。叶型损失的大小取决于叶片表面附面层的流动特性、尾迹区旋涡的能量耗散和尾迹区与主流区气流的相互掺混等。二次流损失是透平叶栅损失的主要组成部分，约占 30%，甚至高达 50% ～70%。随着汽轮机通流技术的发展，GE、日立等公司近些年来都在发展高负荷叶型。在保证足够的强度条件下，选择最佳的负荷系数，减少叶片只数，使整周叶片表面面积减小，减小型面摩擦损失和尾迹损失，并使吸力面不产生脱流，使叶型保持低的型损，同时通过全三维设计来抑制由于叶片负荷增加可能带来的二次流损失增加，这样在保持叶型高气动效率的情况下，大大减小了叶片只数，降低制造成本［3］。

在高负荷叶片设计和研发的同时，需要考虑大焓降级的设计要求。结合高负荷动叶片和大焓降静叶片的匹配，可以使得透平级的焓降大幅度提高，减少汽轮机通流部分透平级数，降低制造成本。高负荷叶片的研发和应用与传统常规动叶片相比可以减少叶片数目 14% ～ 20%。在透平级中高负荷叶片数目的减少导致栅距增加，透平级栅距的减少虽然带来了型面损失的降低，包括尾迹损失。但是由于叶片负荷的增加导致叶栅流道内叶片的压力面和吸力面间的横向压差增加，使得叶栅通道内的二次流强度增加，从而造成流动损失增加。同时由于高负荷叶片相比常规叶片具有更大的气流折转角，需要对高负荷叶片的吸力面靠近尾缘附件认真考虑，从而尽量降低吸力面尾缘附近较大的逆压梯度而导致流动发生分离，流动发生分离不仅造成流动损失增加，而且降低叶片的负荷，使得高负荷叶片的作用减弱甚至消失。

GE 公司报道其某些静叶整圈只数减小了近50% ，日立公司在 DH － 600B 机型的低压前几级静叶采用了高负荷前加载无扩压叶型 － CUC 叶型，并采用了 AVN 设计。为了提高叶栅的负荷，采用前加载是一种比较好的方法，通过型线曲率的控制使叶栅在进口段有较大的收敛度，使叶栅迅速 加 载 从 而 提 高 整 个 叶 栅 通 道 的 负 荷。Hashinmoto 和 Kimura［12］研究了一种高负荷前加载叶型，试验验证了高负荷前加载叶型的能量损失系数较后加载叶型低。图 7 给出了常规叶型与高负荷叶型的效率比较。［12］Kiyoshi［13］在常叶片的基础上设计了高负荷叶片，将常规叶片的负荷系数从 0． 64 ～0． 79 提升为 0． 70 ～ 0． 85。Kiyoshi 采用数值模拟和平面叶栅性能实验对设计的高负荷叶片进行验证。数值模拟和实验测量的结果表明在保证性能基本不变的情况下，高负荷动叶片可减少叶片只数约14% 。文献提到了所发展的高负荷动叶片已经应用于汽轮机的高压级改造。

周凡贞等［3］针对汽轮机通流部分的高负荷和大焓降级的设计方法和基础理论进行了研究，探讨了采用高负荷叶片和大焓降级设计运行安全可靠的新型高效率汽轮机的途径。周凡贞等［3］对于高负荷叶片和大焓降级的研发认为需要参考燃气轮机高负荷叶片的特点，结合实验研究进行。提出的基本设计方法是: ( 1) 通过增大根径或者转速来增大圆周速度，可以保证在增加级焓降时具有最佳速比; ( 2) 进一步减小静叶和动叶的出口气流角，但是有一定的限制; ( 3) 减小反动式级的反动度，可以增大反动式透平级的焓降; ( 4) 采用可控涡或者弯扭叶片成型技术，控制反动度沿叶高的分布来增加焓降; ( 5) 减少叶片数目来增加叶片的气动负荷。

周凡贞等［14］开展了某 100MW 汽轮机的高压缸大焓降级的改进设计和叶栅成型研究。在转速和根径不变的情况将 16 级高压缸通流部分设计成 12 级，平均级焓降增加 25%，平均的速比由原先的 0． 514 减少为 0． 446。热力设计表明改进设计后仍然具有较好的效率，但是动叶和静叶的几何进汽角减小。论文提出需要开发具有良好攻角特性的小进汽角叶栅。周凡贞等［15］对汽轮机高负荷叶片三维成型设计进行了研究，同时采用级进行气动性能的数值验证。研究结果给出了典型汽轮机的透平级，减少动叶片的数目是 18 只，在三维数值计算分析的基础上验证了新设计的叶栅叶片负荷增加 15%，而效率基本保持不变。

孙奇［1］和李军等［16］对高负荷叶片和后加载叶片的气动性能和三维积叠规律进行了实验和数值研究。采用平面叶栅和环形叶栅吹风试验对后加载和高负荷前加载叶型的气动性能进行了详细的测量和研究。图 8 给出了前加载和后加载叶型的型线和直列叶栅吹风实验压力系数分布结果与数值模拟结果的比较。平面叶栅吹风试验结果表明: 前加载叶型的头部为较大的圆弧形，在 ±20°攻角范围内，能量损失系数几乎不变。后加载叶型的能量损失系数随攻角的变化也很小，只是在 －15°攻角以后损失增加较多。但总的说来，前加载叶型在各种攻角下的叶型损失系数都较后加载叶型略低。

图 9 是前加载和后加载叶片径向弯曲设计后的叶片型线和环形叶栅吹风实验结果比较。环形叶栅吹风试验结果表明: 前加载叶型叶根、顶部的端损都较后加载叶型小，说明了前加载叶型通过对三维弯曲成型生成线的控制，减小了通道涡的强度，有效地抑制了端部二次流。从试验结果来看，前加载叶型采用的弯曲较好地抑制了端部二次流，也说明前加载叶型可通过较好的弯曲成型来减小由于其内外弧压差大而可能导致的横向二次流的加大，同时也说明前加载叶型宜采用较大的弯曲量和较大的根、顶部正、负倾斜角度。前加载直叶栅由于其叶型本身前加载的特点，二次流的生成较早，其根部的损失最大。而后加载直叶栅由于其后加载的特点，在根部的端部损失较前加载直叶栅小。前加载叶栅采用较大切向弯曲后效果最好，而后加载采用弯曲后较直叶栅也能有效降低单排叶栅的损失。

3 结论和展望

3． 1 结论

论文综述了航空涡轮中高负荷叶片的设计研发和气动性能的实验和数值研究进展。在航空涡轮高负荷叶片气动设计概念的基础上，详细介绍了汽轮机中高负荷叶片和大焓降级的设计思路和研究现状。介绍了汽轮机中高负荷叶片设计中不同载荷方式设计思路和方法，特别是大焓降透平级在汽轮机中应用的初步探讨。论文给出了前加载高负荷叶片在汽轮机中应用的研发现状和进展。

3． 2 展望

在航空涡轮高负荷叶片和大焓降透平级气动设计和基础研究进展综述的基础上，针对高负荷叶片和大焓降透平级在汽轮机通流设计中的应用和相关关键技术研究进行了如下展望。

( 1) 高负荷叶片的设计优化研究

常规高负荷叶片由于叶道中横向压力梯度增加，导致对于低展弦比叶片的二次流损失增加。开展高负荷叶片的三维气动优化设计，降低二次流损失，对于拓展高负荷叶片在汽轮机透平级中的应用具有现实的工程应用价值。高负荷叶片在汽轮机透平级设计中应用需要开展径向积叠三维优化设计，同时结合非轴对称端壁成型技术等方法，降低高负荷叶片端壁的横向压力梯度，进而降低二次流强度和减少二次流损失。具体研究工作应该集中在两个方面: ( a) 高负荷叶片型线和径向积叠规律的设计和优化和非轴对称造型技术的研究，旨在提高高负荷叶片的气动效率; ( b) 高负荷叶片在设计工况和变工况性能的研究，包括数值和实验研究。旨在研究变工况下高负荷叶片的边界层可能发生流动分离，进而大幅度降低叶片负荷和增加流动损失的影响因素和控制方法。

( 2) 大焓降透平级的设计优化研究

在汽轮机透平级最佳速比的设计条件下，开展汽轮机通流部分中大焓降透平级设计理论和方法的研究。大焓降透平级的设计优化主要包括大焓降透平级的速比选择; 静叶/动叶匹配的最佳设计; 大焓降透平级的定常和非定常气动性能研究。

( 3) 高负荷叶片和大焓降透平级在汽轮机通流部分应用中关键技术研究

高负荷叶片和大焓降透平级设计理论和方法的研究是提高汽轮机产品竞争力的关键技术。具体细节包括设计速比选择、根径选择、反动度选择以及焓降和子午流道的设计。在保证气动效率和输出功率的前提下，采用高负荷叶片和大焓降透平来尽量减少叶片只数和减少透平级数，同时需要保证设计工况和变工况的气动性能和安全可靠性。