电站燃气轮机轴流式亚音速平面叶栅的几何参数与气动参数培训教材

电站燃气轮机轴流式亚音速平面叶栅的几何参数与气动参数培训教材如前所述，在压气机中空气经压缩后表现出来的工作特性，与基元级中气流的速度三角形有密切关系。而气流的速度三角形则是通过对压气机转速的控制，以及合理地设计压气机级中动叶栅和静叶栅的几何形状与尺寸来加以保证的。图3-12上给出了压气机叶型几何参数的表征方法。通常，人们是用以下一些几何参数来描写叶型的几何特征的，它们是：图3-12压气机叶型的几何参数背弧型线y1=f(x1)和内弧型线y2=f(x2)。在叶型的进气侧和出气侧，则用半径为r1和r2的圆弧段把背弧与内弧的两端线光滑地连接在一起。中弧线。在中弧线上任一点的法线与叶型内弧和外弧所夹的线段都被中弧线等分，他近似地可看做是一条连接叶型中所有内切圆圆心的轨迹线。中弧线可以是一条抛物线，或者是一条有两个半径各不相同的圆弧组成的连线。弦长b。弦线有内弦和外弦之分。所谓内弦长是指在中弧线两侧端点之间连线的长度。所谓外弦长是指叶型在内弧侧进口边与出口边公切线上的投影长度。通常，内弦与外弦之间的夹角γ只有几十分。由于外弦容易测量，因而经常以它作为确定叶栅安装角γp的依据，工程实际上一般只采用外弦，并称之为弦长b。型面最大厚度smax和dmax。前者是指与内弦(或外弦)相垂直的直线，在叶型背弧和内弧之间切割出来的最大距离；后者是指与中弧线相垂直的直线，在叶型背弧和内弧之间切割出来的最大距离。叶型的弯曲角θ=χ1+χ2。其中χ1是指中弧线在进气侧的切线与内弦(或外弦)之间的夹角；χ2是指弧线在出气侧的切线与内弦(外弦)之间的夹角。前者称为叶型的入口角，后者称为叶型的出口角。最大厚度截面与坐标点m之间的距离Bs或Bd。中弧线上最大挠度点与内弦(或外弦)之间的垂直距离fmax。中弧线上最大挠度点与坐标原点m之间的距离Bf。通常，为了便于比较各种叶型，总是把叶型的上述线性尺寸，用弦长b的相对值来表示，即：，，，，，，和等。目前，国内外的多数压气机叶型都是用中心线为直线的所谓原始叶型弯曲而成的。图3-13中给出了一种国外应用较多的NACA65-010型原始叶型，可供参考。图3-13NACA65-010型原始叶型图在设计压气机叶型时，我们只要合理地选择叶型中弧线的弯曲规律，以及中弧线两端的切线与叶型内弦(或外弦)之间的夹角χ1和χ2(参见图3-12)，就可以利用原始叶型绘制出设计所需要的压气机叶型。那时，压气机叶型的中弧线就好比原始叶型的中心线，它把叶型的厚度d等分为二，而中弧线的弧线长度则与原始叶型的中心线长度相等。在确定中弧线后，我们可以根据原始叶型的厚度分布规律，在中弧线的两侧分别确定出压气机叶型的背弧和内弧的坐标点，当把这些坐标点连成光滑的曲线后，就能获得设计所需要的压气机叶型。当叶型已定时，就可以用许多个同种叶型，按一定的规律排列成为压气机的叶栅。图3-14中给出了压气机的一组平面叶栅示意图。通常，人们习惯于用以下一些几何参数来表征压气机平面叶栅的特征，即：图3-14压气机平面叶栅的几何参数栅距t：在两个相邻的叶型上，相互同位点之间、沿圆周速度u方向上的距离。相对栅距=t/b：它表示叶栅中叶型排列的疏密程度，其倒数s=b/t称为叶栅的稠度。叶栅宽度Ba：叶栅在轴线方向的尺寸。叶栅的几何入口角β1j与几何出口角β2j；它是指中弧线在叶型入口边和出口边的切线，与叶栅圆周速度u轴之间的夹角(前者是相对于u方向而言的夹角，后者是相对于-u方向而言的夹角)。叶型的安装角γp：它是指叶型的外弦与叶栅圆周速度u轴之间的夹角。由图3-12中可以证明在一般情况下，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并不一定是重合的，它们之间的差值分别称为冲角i和落后角δ，即(3-21)(3-22)由于惯性和粘性的作用，气流的出气角β2一般总是要比叶型的几何角出口角β2j小一些，即δ>0。气流出气角β2与进气角β1的差值为(3-23)ε称为气流在压气机叶栅中的折转角，鉴于所以(3-24)由此可见，气流在叶栅中的折转角ε并不等于叶型的弯曲角θ。在设计叶栅时，人们总是使β2>β1，这样才能使气流流过叶栅时产生Δwu(参见图3-7)，从而由外界接受压缩功，使气流增压。现代压气机叶栅的几何参数一般取为当然，不难证明(3-25)对于扩压静叶栅来说，同样可以用以上那些几何参数，来表示静叶栅在压气机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，分别改为α2j和α3j就是了。通常，上述的β1、β2、θ、i、δ、ε等参数又称为叶栅的气动参数。通过对平面叶栅的吹风实验，人们可以获得叶型、叶栅几何参数、气流的工况参数(Re和Ma)对基元级性能的影响关系，以此作为设计压气机基元级的依据。必须指出：原始叶型以及由原始叶型弯曲并列而成的平面叶栅之几何参数，对于压气机基元级的性能是有决定性影响的。图3-15中给出了两种压气机叶片型线的对比，以及在这两种叶片的叶背和叶腹部位气流速度的分布关系。前一种叶片是用NACA65型原始叶型弯曲而成的，后一种叶片是根据所谓的“可控扩压”原理设计而成的，它是德国Siemens公司最新压气机的叶型设计。它的设计思想是通过叶型的变化，减小流道内过高的气流局部速度，使气流的减速比较均匀，这样，可以防止在出气边之间的的附面层发生任何分离现象，借以获得最佳的压缩效率。设计中还尽量的减