电站燃气轮机轴流式燃气透平叶栅的几何参数与叶片的扭曲

电站燃气轮机轴流式燃气透平叶栅的几何参数与叶片的扭曲如前所述：当高温高压的燃气流过透平级时，将会发生状态参数和流动速度的变化，这样，就可以在动叶栅的前后，形成一组特定的速度三角形，使燃气本身所具有的能量部分地转化成为透平的膨胀轴功。那么，燃气的热力参数和速度三角形为什么会按预定的设计规律进行变化呢？研究表明：它主要是通过对透平转速的控制，以及合理地设计透平级中喷嘴环(静叶栅)和动叶栅的几何形状与尺寸，来加以保证的。图5-17中给出了透平级中喷嘴环(静叶栅)、冲动式叶栅和反动式叶栅的示意图，而图5-18上则给出了某种反动式透平中，动叶平面叶栅的几何参数。a)静叶b)冲动式动叶c)反动式动叶图5-17透平级中喷嘴环(静叶)、冲动式动叶以及反动式动叶的平面叶栅图从图5-17中可以看出，不论是冲动式或是反动式透平，高温高压的燃气在喷嘴环流道中，总是要发生膨胀而使气流不断加速的。因而喷嘴环流道的形状必定是渐缩的、收敛型的。这就是说，以喷嘴环流道的中心线为中心的、与相邻两个静叶的内弧和背弧相切的那组内切圆的直径，一定是逐渐缩小的。这正表示沿气流的流动方向，喷嘴环流道的通流面积在不断地减小，而∣α1∣则必然要比∣α0∣小。图5-18反动式透平中动叶平面叶栅的几何参数对于冲动式动叶的流道来说，由于燃气在其中并不膨胀，即∣w1∣=∣w2∣，因而这种动叶流道的形状是等宽型的，即流道内切圆的直径将恒定不变，而∣β1∣=∣β2∣。在反动式动叶的流道中，由于燃气的继续膨胀作用，将使∣w2∣>∣w1∣，因而这种动叶流道的形状与静叶流道者相仿，它必然也是渐缩的、收敛型的，即沿气流的流动方向，流道内切圆的直径也是不断减小的，而∣β2∣<∣β1∣。透平静叶或动叶剖面的形状一般称为叶型，它是构成叶栅的基本要素。叶型的几何形状都是通过大量试验研究获得的，它们应该能够保证气流流过叶型时流阻损失为最小，而且便于加工制造。叶型的特征一般可以通过以下一些几何参数来表示，参见图5-18，即：中弧线——叶型中所有内切圆圆心的连线，它可以是一个圆弧、抛物线，或者是某一种光滑的弧形曲线。弦线——叶型内弧侧进口边与出口的公切线，又称为外弦。叶型折转角θ——中弧线入口端的切线与出口端的切线之间的夹角。弦长b——在叶片入口边到出口边之间沿弦线方向的距离，它是表示叶型大小的特征尺寸。出口边的厚度s——般出口边的型线是做成圆弧型的，那时。其厚度就是出口边圆弧的直径。叶型剖面的几何形状——它是决定叶型形状的关键尺寸，又称为型线。通常，叶片的型线有两种表示方法。图5-19中给出了我国自行设计研究成功的某种透平动叶的型线。它是由一些半径不同的圆弧依次相切连接而成的。对于一定的X-Y坐标系来说，假如给出了各圆弧的半径、圆心以及接点的坐标，型线也就完全确定了。图5-20中给出的某种透平静叶的型线，它在X-Y坐标系中是通过分别给出背弧和内弧上各点坐标的方法来确定的。通常，透平的叶型都是做成中间厚而两头薄的那种形式。叶型的进口边呈较大的圆弧形，以此来适应燃气来流方向的变化，不至造成过大的流动损失。其出口边则做得比较薄这样可以减小气流流出叶片时的尾流损失。为了增强叶片的强度，避免应力集中，出口边是做成圆弧形的。圆弧坐标(mm)点序o1o2o3o4o5o6o7o8o9o10RXY0.60230.60230.602386.159683.8089-19.316264.500564.8161-8.904737.771745.987810.066221.081940.250725.739330.117037.161117.247234.132635.148313.76273.011764.988322.597848.889943.2389-24.5269277.2769接点坐标(mm)点序123456789XY0.0170.7438.25622.10119.38136.87533.00445.53747.46045.55452.25743.38167.87623.45363.72619.8631.1210.297图5-19某种透平动叶的叶型图内弧和背弧的坐标(mm)点序01234567891011121314XY1Y20.003.703.701.7010.000.603.7012.780.005.5014.340.8211.0016.586.1817.0016.886.1822.0016.057.1427.0014.847.6033.0012.847.4539.0010.686.7145.008.375.4549.006.854.4355.004.242.6058.002.781.5861.001.260.45图5-20某种透平静叶的叶型图在平面叶栅中各片入口边和出口边的公切线，被分别称为前额线和后额线，它的方位与透平级中圆周运动的方向相一致。平面叶栅的特征通常可以用以下一些几何参数来表示，它反映了叶片在透平流道中的具体位置关系，这些参数是(参见图5-18)：栅距t——在两个相邻的叶片上，同位点之间沿额线方向的距离。相对栅距=t/b——栅距与叶片弦长的比值，它表示叶栅中叶片排列的疏密程度，其倒数s==b/t称为稠度。叶栅宽度Ba——前、后额线之间的垂直距离。安装角γp——叶型外弦线与后额线之间的夹角。几何入口角β1j与几何出口角β2j——中弧线在叶型入口边和出口边的切线与前、后额线之间的夹角。很明显，当叶片的安装角γp确定后，β1j和β2j角也就完全确定不变了，而且(5-48)在一般情况下，气流流进叶栅时的进气角β1，以及气流流出叶栅时的出气角β2，与叶栅的几何角β1j和β2j并不是重合的，它们之间的差值称为“冲角”i和“落后角”δ，即(5-49)(5-50)对于静叶栅来说，同样可以用以上那些几何参数来表示静叶在透平流道中的具体布置关系。那时，只要把叶栅的几何入口角和几何出口角的符号改为α0j和α1j就是了。上面，我们只是讨论了透平级某个直径处，静叶和动叶的叶型以及叶栅的几何特征参数的表示方法。但是，在任何一个透平级中，静叶和动叶都是有一定高度的，那么沿着整个叶片的高度方向，叶片的叶型以及β1j和β2j(或α0j和α1j)角是否都做成相互一致呢？通常有两种情况可言。当叶片较短时，例如叶轮的平均直径Dm与叶片高度l的比值Dm/l>12时，叶根部和顶部的圆周速度uh和u1，与叶轮平均直径处的圆周速度um相差不多，那时，可以认为沿叶高方向气流的各种参数基本上是变化不大的。这样，就可以把叶片根部和顶部叶型的进、出口几何角度，设计成为与平均直径处完全相同。这就是说，在沿叶片的高度方向，叶型的进、出口几何角(β1j、β2j或α0j、α1j)是做成相互一致的。这种叶片通常称为直叶片。但是对于Dm/l<12的长叶片来说，在同一个转速下，叶片根部与顶部的圆周速度uh和u1就会相差很大(显然，圆周速度将沿叶高方向逐渐增大)。在设计这种叶片时，假如对这个因素不加注意，而仍然采用直叶片结构，就会在叶片进口处造成气流脱离现象，致使透平效率严重恶化。图5-21所示的例子很能说明这个问题。在图5-21中我们暂且假定：有喷嘴环喷出的气流之绝对速度c1(无论是大小和方向)，在沿叶高方向上都是均匀一致的。从图5-21中可以看出：当气流流进动叶时，由于圆周速度的不同，在叶片根部的进气角β1h，将要比叶片顶部的进气角β1t小很多。显然，在这种透平级中，假如仍然采用那种根据平均直径Dm断面上的速度三角形所构成的直叶片方案，那么，除了在平均直径断面上的流动情况外，当气流流过其他断面时，都会在动叶栅的进口处产生如图5-22那样的气流脱离现象，以致造成损失。图5-21在长叶片情况下，由于圆周速度uh和ut的差异所造成的叶根和叶顶部位气流速度三角形的变化关系a)气流在叶片背弧侧产生的脱离现象b)气流在无脱离现象时的流动情况c)气流在也片内弧侧产生的脱离现象图5-22动叶的进口速度三角形配合不当时所造成的损失当时，从叶片根部到平均直径之间，气流的进气角β1都会比叶片的几何入口角β1j小，由此产生正冲角+i，这样，就会使气流在叶片背弧部位产生涡流脱离现象。与此相反，从平均直径到叶片顶部之间，气流的进气角β1都会比β1j角大，这样就会产生负冲角-i，致使气流在叶片内弧部位生产涡流脱离现象。总之，这种流动情况都会导致透平效率的降低。正因为这个原因，为了提高透平级的效率，人们总是把叶片的几何入口角与几何出口角做成是沿叶高方向逐渐变化的方案。同时从叶片强度上考虑，为了减小长叶片中由于离心力的作用，而在叶根部位生产过大的机械应力，通常，还把叶片的断面尺寸(厚度图5-23在不同半径上扭叶的剖面图与宽度)也都做成为沿叶高方向逐渐减小的形式。图5-23在不同半径上扭叶的剖面图图5-23中给出了这种叶片的示意图。这种叶片叫做扭叶片。目前，扭叶片的结构形式很多。它的目的都是为了提高透平级的效率和作功能力。有关叶片的扭曲规律问题在此就不深入讨论了。读者若有兴趣，可以参考有关燃气透平设计方面的专著。在许多燃气透平中，不仅动叶片是做成扭曲形式的，就是静叶片也往往带有一定的扭曲度。图5-24上给出了某种透平动叶的示图，以及静叶和动叶几何出口角α1j和β2j沿叶高方向的变化规律。图5-24某种透平动叶的示图，以及静叶和动叶几何出口角α1j与β2j沿叶高方向的变化规律图5-25和图5-26上给出了某台20MW机组中采用的透平静叶和动叶的结构示图。在这种扭叶片中，，第一、二级静叶和动叶的进、出口几何角沿叶高方向的变化关系，大体上如图5-27所示。由图可知：在第一、二级动叶中，叶片的几何入口角β1j是沿叶高逐渐增大的，而几何出口角却适得其反。因而，进、出口几何角的的差值(β1j-β2j)在沿叶高方向也是不断地增大的。很明显，这正意味着透平级的反动度Ωt必然也将沿着叶高方向迅速地增大起来。在一般设计中，我们总是使透平动叶根部的反动