一种用于汽轮机的鲨鱼鳃式叶片减阻结构的制作方法

1.本实用新型涉及汽轮机领域，尤其涉及一种用于汽轮机叶片的鲨鱼鳃式叶片减阻结构。


背景技术：

2.汽轮机也称蒸汽透平发动机，是一种旋转式蒸汽动力装置，高温高压蒸汽穿过固定喷嘴(或静叶)成为加速的气流后喷射到叶片上，使装有叶片排的转子旋转，同时对外做功。汽轮机是现代火力发电厂的主要设备，也用于冶金工业、化学工业、舰船动力装置中。
3.汽轮机主要由静止部分和转动部分两个方面组成。静子包括进汽部分、汽缸、隔板和静叶片、汽封及轴承等。转子包括主轴、叶轮、动叶片和联轴器等。一列喷嘴(或静叶片)叶栅和其后紧邻的一列动叶栅构成汽轮机的基本单位级，静叶片简称静叶，是固定在隔板或导叶持环上静止不动的叶片。静叶在汽轮机中不但为汽流导向外。动叶片通过叶片底座安装在转子叶轮或转鼓上，接受喷嘴(或静叶)叶栅射出的高速气流，把蒸汽的动能转换成机械能，使转子旋转，同时对外做功。
4.根据结构不同叶片可以分为等截面直叶片、变截面直叶片、扭叶片、弯扭叶片。
5.叶片(动叶片和静叶)是汽轮机的关键零件，其空气动力学性能、运行工况等因素均影响汽轮机的效率、做功能力；其结构设计则对机组的安全可靠性起决定性的影响。当汽轮机叶片工作时，蒸汽流过叶片时汽流与叶片表面之间的摩擦会形成叶栅损失从而造成动能减少。叶栅损失是汽轮机的主要损失形式之一，直接影响汽轮机的整机效率，因此，减小叶栅损失与提高汽轮机机组性能直接相关。
6.自然界中鲨鱼呼吸时水由口部和入水孔进入咽，由鳃裂流出体外。鲨鱼的外鳃裂与周围的体表近似于在一个平面上。鳃裂部位向外喷排出海水并与周围的环境流体相互作用改变了鲨鱼体表周围的流场结构，减少了鲨鱼体表的阻力。本实用新型正是依据鲨鱼鳃裂结构仿生设计了一种新型的汽轮机叶片减阻结构。本实用新型的结构设定以等截面直叶片的吸力面为例，在叶片吸力面采用鲨鱼鳃裂结构，有一个或多个进口进气，多个出口出气，进出口之间构成气流通道，出口处截面形成射流现象。流动的气流有黏性，在汽轮机叶片附近形成边界层，边界层内存在速度梯度，摩擦阻力的大小取决于边界层内的速度梯度变化，随着速度梯度减弱而减小，显然，边界层越厚，速度梯度变化变小，摩擦阻力越小，而射流在主流的作用下发生弯曲，紧贴汽轮机吸力面叶片表面，射流流体在主流和汽轮机叶片表面之间形成缓冲带，增加边界层厚度，连续的等间距气流出口同时将这种缓冲作用延长并加强，从而削弱主流对汽轮机叶片表面的扫掠，减小叶片阻力，优化叶片结构，使其适应更多工作环境，提高整机效率。


技术实现要素：

7.本实用新型的目的在于提供一种用于汽轮机的减阻叶片结构，能够有效减小汽轮机叶片表面边界层内的速度梯度变化，控制主流与壁面的刮削接触，减小表面摩擦阻力，改
善汽轮机性能。
8.为了达到上述目的，本实用新型的技术方案如下：一种用于汽轮机的鲨鱼鳃式叶片减阻结构，所述鲨鱼鳃式叶片减阻结构设置在汽轮机叶片上，在该汽轮机叶片的外表面内部形成一内部空间作为气流通道；该减阻结构还包含：气流进口和气流出口组，沿着所述气流通道自叶片前缘向尾缘方向依次设置；该气流通道所在的内部空间表面作为汽轮机叶片内表面；
9.其中，所述气流出口组包含依次设置在汽轮机叶片外表面上的多个气流出口。
10.所述减阻结构还包含汽轮机叶片底座，所述汽轮机叶片底座与汽轮机叶片一体成型，安装在转子叶轮或转鼓上。
11.所述汽轮机叶片包含动叶片和静叶片，其叶型包含：等截面直叶片、变截面直叶片、扭叶片、弯扭叶片，其叶高包含：短叶片、中叶片及长叶片所有叶片高度。
12.所述气流出口的数量可取汽轮机叶片宽度允许的任意大于零的值。
13.所述气流进口和气流出口的宽度可取汽轮机叶片宽度允许的任意大于零的值；所述气流进口和气流出口的长度可取叶片高度允许的任意大于零的值；所述气流进口及气流出口的形状包括长方形、正方形、圆形、椭圆形。
14.所述气流出口组长度大于零且小于等于气流进口长度。
15.所述汽轮机叶片的外表面包含吸力面和压力面，所述气流进口和气流出口的分布位置包括叶片吸力面和压力面的全部范围。
16.本实用新型适用的汽轮机包含：冲动式汽轮机及反动式汽轮机，所述汽轮机蒸汽参数包含：低压汽轮机、中压汽轮机、高压汽轮机、超高压汽轮机、亚临界压力汽轮机、超临界压力汽轮机、超超临界压力汽轮机。
17.进一步，所述汽轮机叶片可位于汽轮机级中的任何级，且级数不受限。
18.所述气流通道宽度在叶片结构允许的大于零的任意值。
19.所述用于汽轮机的叶片减阻结构可以同时设置在汽轮机叶片的叶根区域和叶顶区域，或单独设置在汽轮机叶片的叶根区域，或单独设置在汽轮机叶片的叶顶区域，且所述减阻结构数量不限。
20.所述减阻结构还包含汽轮机叶片底座，所述汽轮机叶片底座与汽轮机叶片一体成型，安装在转子叶轮或转鼓上。
21.与现有技术相比，本实用新型具有以下显著优点和效果：首次提出用于汽轮机的鲨鱼鳃式叶片减阻结构，根据鲨鱼鳃裂结构提出仿生结构，有效减小叶片表面摩擦阻力，抑制流动损失的产生，可以优化叶片的气动特性，延长汽轮机的使用寿命，提高整机的工作性能和可靠性，具有重要的理论意义和实际应用价值。
附图说明
22.图1为本实用新型的叶片减阻结构示意图；
23.图2为本实用新型的沿叶片高度方向减阻结构存在区域的中间截面示意图；
24.图3为本实用新型的减阻结构的气流进出口局部图。
具体实施方式
25.以下结合附图对本实用新型的技术内容、构造特征、所达成目的及功效予以详细说明。
26.如图1～图3所示，为本实用新型提供的一种用于汽轮机的鲨鱼鳃式叶片减阻结构，所述鲨鱼鳃式叶片减阻结构设置在汽轮机叶片上，在该汽轮机叶片的外表面内部形成一内部空间作为气流通道；该减阻结构还包含：气流进口和气流出口组，沿着所述气流通道自叶片前缘向尾缘方向依次设置；该气流通道所在的内部空间表面作为汽轮机叶片内表面；
27.其中，所述气流出口组包含依次设置在汽轮机叶片外表面上的多个气流出口。
28.所述减阻结构还包含汽轮机叶片底座，所述汽轮机叶片底座与汽轮机叶片一体成型，安装在转子叶轮或转鼓上。
29.其中，所述汽轮机叶片包含动叶片和静叶片，其叶型包含：等截面直叶片、变截面直叶片、扭叶片、弯扭叶片，其叶高包含：短叶片、中叶片及长叶片所有叶片高度。
30.所述动叶片通过汽轮机叶片底座安装在转子叶轮或转鼓上，接受喷嘴(或静叶)叶栅射出的高速气流，把蒸汽的动能转换成机械能，使转子旋转，同时对外做功。
31.所述静叶片固定在隔板或导叶持环上静止不动，静叶在汽轮机的运作中可以将汽流导向外部。
32.所述气流出口的数量可取汽轮机叶片宽度允许的任意大于零的值。
33.所述气流进口和气流出口的宽度可取汽轮机叶片宽度允许的任意大于零的值；所述气流进口和气流出口的长度可取叶片高度允许的任意大于零的值；所述气流进口及气流出口的形状包括长方形、正方形、圆形、椭圆形。
34.所述气流出口组长度大于零且小于等于气流进口长度。
35.所述气流进口和气流出口的分布位置包括叶片吸力面和压力面的全部范围。
36.所述用于汽轮机的叶片减阻结构适用的汽轮机包含：冲动式汽轮机及反动式汽轮机，所述汽轮机蒸汽参数包含：低压汽轮机、中压汽轮机、高压汽轮机、超高压汽轮机、亚临界压力汽轮机、超临界压力汽轮机、超超临界压力汽轮机。
37.所述汽轮机叶片可位于汽轮机级中的任何级，且级数不受限。
38.所述气流通道宽度在叶片结构允许的大于零的任意值。
39.所述用于汽轮机的叶片减阻结构可以同时在叶根和叶顶区域存在，也可以单独在叶根后者叶顶区域存在，且减阻结构数量不限。
40.在本实用新型的优选实施例中，目前汽轮机叶片具有多种叶型、叶高，为方便观察，本实施例中选用等截面直叶片作为汽轮机叶片1，如图2所示，汽轮机叶片的上凸面为吸力面，下凹面为压力面。
41.由于汽轮机叶片叶根和叶顶区域是摩擦损失最明显的区域，因此本实用新型的优选实施例中，选择在汽轮机叶片1上高度范围为5％
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25％和75％
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95％的两个区域处设置完全相同的两个减阻结构，此时在汽轮机叶片1上高度为15％和85％处的叶片截面作为减阻结构的中截面，如图2所示。将所述中截面的前缘a与尾缘b两点直线连接，该长度为c，并设定连接所述中截面的前缘与尾缘的直线为x轴，中截面的前缘指向后缘的方向为x轴正方向，中截面的前缘点为x轴上0点。
42.进一步，根据鲨鱼的外鳃裂与周围的体表近似于在一个平面上的特征，本实施例中的气流进口2和气流出口组的的通道都设置在汽轮机叶片外表面9上，且所述气流进口2和气流出口组的的通道的长度方向与叶片的长度方向一致。
43.根据鲨鱼通常具有1个进水口、3对以上鳃裂的特征，本实施例中采用一个气流进口2和五个类鳃裂的气流出口。
44.具体的，如图2所示，在汽轮机叶片外表面9上，与前缘a之间水平间隔25％c
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50％c的位置处设置有深度为2％c的内部空间作为气流通道8，所述气流通道8在垂直于x轴的竖直方向上长度为2％c；汽轮机叶片内表面10铺设在气流通道8所在的内部空间底部；在汽轮机叶片外表面9上，与前缘a之间水平间隔25％c
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30％c的位置处设置有气流进口2，所述气流进口2长度为汽轮机叶片1的高度的20％，宽度为5％c。在汽轮机叶片1的外表面9上，与前缘a之间水平间隔分别为32％
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34％c、36％
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38％c、40％
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42％c、44％
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46％c、48％
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50％c的五个位置处依次设置第一气流出口3、第二气流出口4、第三气流出口5、第四气流出口6和第五气流出口7，五个类鳃裂的气流出口宽度和各自之间的间距都为2％c，长度为汽轮机叶片1的高度的20％。
45.汽轮机转动时，气流有黏性，会在物体附近形成边界层，边界层内存在速度梯度，摩擦阻力的大小取决于边界层内的速度梯度变化，且速度梯度越明显则摩擦阻力越大，主流(高速蒸汽)对叶片表面的扫掠引起摩擦阻力损失，显然，当边界层越厚，摩擦阻力就会越小。
46.当本实用新型中的汽轮机叶片1转动时，气流从气流进口2进入，气流在气流通道中依次从第一气流出口3、第二气流出口4、第三气流出口5、第四气流出口6、第五气流出口7五个仿生鳃裂的结构中射流排出，由于进入气流通道8后，气流的速度会低于外界主流速度，且随着在气流通道8的流动，气流的速度会逐渐减小，在五个气流出口射流流出后遇见主流，低能流体团流动路径发生弯折，紧贴汽轮机叶片外表面9，构成了主流与汽轮机叶片外表面9之间的缓冲区域，增厚了边界层，削弱了速度梯度，减小了表面摩擦阻力损失。由于五个气流出口之间的间隔较小且高度相同，在前一个射流流体团缓冲作用还没有消失的时候，紧跟它的射流流体团已经出现，缓冲作用继续存在并得到加强，并将持续一定距离，缓冲区域速度梯度变化较小，摩擦阻力减小，可以改善汽轮机叶片外表面9周围的流场，能够提高汽轮机叶片1的做功能力，能够改善机组的性能。
47.尽管本实用新型的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本实用新型的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本实用新型的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本实用新型的保护范围应由所附的权利要求来限定。