一种燃气轮机高负荷静叶片的制作方法

1.本发明属于燃气轮机技术领域，具体涉及一种用于燃气轮机透平首级的高效、高负荷静叶片。


背景技术：

2.随着燃气轮机涡轮进口燃气温度的不断提高，涡轮高温部件所面临的热负荷环境更加恶劣，为保证高温涡轮叶片的合理寿命，需要对其进行有效冷却，尤其是第一级涡轮静叶片，直接承受燃烧室出口的高温高压燃气，耗费冷气量大。冷却系统设计消耗的冷气量与叶片表面积大小呈正相关，因此少叶片数设计可以降低冷气的消耗量。
3.但另一方面，叶片数减少会使单只叶片承担的气动负荷增加，高气动负荷会提高流道内整体流速，叶型损失增加。更重要的是，第一级静叶处工质压力高、密度大，叶片展弦比较后面的叶片小，次流损失占总损失的比例大；同时，高气动负荷会引起上下端壁吸力面和压力面的压差，增强端壁处横向流动，引起次流损失增加。
4.在先申请专利文献cn207847706u，公开了一种工业汽轮机高效调节级静叶片，它采用整体形式，包括一体成型的叶型、上安装边和下安装边，装配时上安装边和下安装边滑入相应定位槽中；所述叶型部分为等截面叶型，其叶型的叶型由5段曲线组成，分别为ab段、bc段、cd段、de段、ea段，5段曲线交接处切线斜率相等，该申请技术方案中的静叶片优于常规叶片，并且具有很好的变工况特性，其加工成本仅为一般的离散点叶型常规叶片加工成本的1/4～1/3。该申请的技术方案主要针对静叶片的气动性能进行了优化，但该技术方案并未在保证气动效率的前提下，减少叶片数，因此若应用于燃气轮机透平，难以解决冷气量耗费大的问题。
5.为了减少冷气消耗量，解决少叶片数设计中存在的高气动负荷引起的气动效率降低的问题，本技术提供了一种燃气轮机高负荷静叶片，通过优化叶片型线参数，使其在不降低气动效率的前提下，减少叶片数，增加单只叶片的气动负荷，从而减少单级冷却气体的消耗量；并通过优化设计前缘的曲率分布，合理组织端壁流动，削弱前缘马蹄涡的横流，最终保证其良好的气动效率。


技术实现要素：

6.本发明旨在针对现有技术中存在的问题，提供一种用于燃气轮机透平首级的高效高负荷静叶片，通过合理设计叶型，使其在少叶片数的条件下依然保持高气动效率，减少成圈叶片的生产成本和单级冷却气体的消耗量，保证其在燃气轮机工作的全工况下具有气动效率高、冷气消耗量少的特点。
7.为实现以上技术目的，本发明采用以下技术方案：
8.一种燃气轮机高负荷静叶片，包括叶型，所述叶型为等截面叶型，所述叶型包括叶型前缘、叶型中缘和叶型尾缘；
9.所述叶型前缘包括三段单圆弧，分别为：前缘偏压力面圆弧l
ab
、前缘中部圆弧l
bc
和前缘偏吸力面圆弧l
cd
；
10.所述叶型中缘包括两段三阶贝塞尔曲线，分别为：吸力面三阶贝塞尔曲线l
de
和压力面三阶贝塞尔曲线l
ha
；
11.所述叶型尾缘包括两段单圆弧和一段直线段，分别为：第一尾缘过渡圆弧l
ef
、第二尾缘过渡圆弧l
gh
和尾缘披缝直线l
fg
；
12.所述前缘偏压力面圆弧l
ab
、前缘中部圆弧l
bc
、前缘偏吸力面圆弧l
cd
、吸力面三阶贝塞尔曲线l
de
、第一尾缘过渡圆弧l
ef
、尾缘披缝直线l
fg
、尾缘过渡圆弧l
gh
和压力面三阶贝塞尔曲线l
ha
依次首尾相接，且各交接处的切线斜率相等。
13.进一步地，所述叶型前缘的三段单圆弧的圆弧半径满足如下关系：2r
ab
《r
bc
《3r
ab
，2r
cd
《r
bc
《3r
cd
，圆弧弧长满足如下关系：0.8l
ab
《l
bc
《1.2l
ab
，0.8l
cd
《l
bc
《1.2l
cd
。
14.进一步地，所述叶型前缘的三段单圆弧的圆弧半径还满足如下关系：0.09≤r
ab
/b≤0.13，0.19≤r
bc
/b≤0.29，0.09≤r
cd
/b≤0.13。
15.进一步地，所述第一尾缘过渡圆弧l
ef
和第二尾缘过渡圆弧l
gh
的圆弧半径满足如下关系：0.005≤r
ef
/b≤0.007，0.005≤r
gh
/b≤0.007，所述尾缘披缝直线l
fg
的长度te满足如下关系：0.011≤te/b≤0.017。
16.进一步地，所述叶型满足如下规律：节弦比t/b值为0.8≤t/b≤1.2，展弦比h/b值为0.45≤h/b≤0.67。
17.进一步地，所述叶型满足如下规律，安装角的β值为24
°
≤β≤36
°
，出口几何角α的值为10
°
≤α≤15
°
，出口楔角w2的值为17
°
≤w2≤24
°
，尾缘弯折角δ的值为17
°
≤δ≤26
°
。
18.进一步地，还包括叶根和叶顶，所述叶型的内端部与叶根相连，所述叶型的外端部与叶顶相连。
19.进一步地，所述静叶片为多个且沿周向均匀间隔布置，所述多个静叶片的数量n为：30≤n≤34。
20.与现有技术相比，本发明所产生的有益效果是：
21.本发明对静叶片的叶型型线进行了调整和优化设计，与在先专利文献cn207847706u的叶型型线不同，在先专利文献cn207847706u的叶型的压力面由单圆弧ab段和高阶样条曲线bc段组成；吸力面为高阶样条曲线de段，叶型前缘为椭圆弧cd段，叶型尾缘为单圆弧ea段，该申请的技术方案能够保证静叶片具有更高的效率、更优良的气动性能和变工况性和加工工艺性能，但是该技术方案并未在保证气动效率的前提下，减少叶片数，若将该技术方案应用于燃气轮机透平静叶设计，仍然存在冷气量耗费大的问题；而本技术在在先申请技术方案的基础上进行了进一步改进优化，本技术中叶型的吸力面和压力面均采用三阶贝塞尔曲线，分别为吸力面三阶贝塞尔曲线l
de
和压力面三阶贝塞尔曲线l
ha
，叶型前缘由前缘偏压力面圆弧l
ab
、前缘中部圆弧l
bc
和前缘偏吸力面圆弧l
cd
三段单圆弧组成，叶型尾缘由第一尾缘过渡圆弧l
ef
、第二尾缘过渡圆弧l
gh
和尾缘披缝直线l
fg
共两段单圆弧和一段直线段组成，叶型采用三元流场设计技术设计而成，并且通过优化叶型前缘曲率分布和型线参数，合理组织端壁流动，削弱前缘马蹄涡的横流，减少叶型损失和次流损失，从而保证了良好的气动效率；同时，应用本技术方案优化的叶型型线，可实现在不降低气动效率的前提下，减少叶片数，增加单只叶片的气动负荷，有效降低了成圈静叶片的生产成本和单级冷却气体的消耗量，使得成圈静叶片的生产成本比常规设计的静叶片降低20％以上；经专
业计算流体力学软件cfx和numeca等计算验证，在出口流量为570t/h的设计工况下，本发明设计的叶片气动效率提高1％，消耗冷气量降低10％以上，提高了机组的整机经济性和热效率。
附图说明
22.图1是本发明实施例的叶型截面图；
23.图2是本发明实施例的叶型截面中a处局部放大图；
24.图3是本发明实施例的叶片侧视图；
25.图4是本发明实施例的叶型堆叠图；
26.图5是本发明实施例的叶片载荷分布图；
27.图6是本发明实施例的端壁流线图；
28.图中：1-叶型，2-叶根，3-叶顶。
具体实施方式
29.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
30.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“同轴”、“底部”、“一端”、“顶部”、“中部”、“另一端”、“上”、“一侧”、“顶部”、“内”、“前部”、“中央”、“两端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
31.如图3所示，本发明提供了一种燃气轮机高负荷静叶片，包括叶型1、叶根2和叶顶3，所述叶型1的内端部与叶根2相连，所述叶型1的外端部与叶顶3相连。
32.如图1-2所示，所述叶型1为等截面叶型，所述叶型1包括叶型前缘、叶型中缘和叶型尾缘；所述叶型前缘包括三段单圆弧，分别为：前缘偏压力面圆弧l
ab
、前缘中部圆弧l
bc
和前缘偏吸力面圆弧l
cd
；所述叶型中缘包括两段三阶贝塞尔曲线，分别为：吸力面三阶贝塞尔曲线l
de
和压力面三阶贝塞尔曲线l
ha
；所述叶型尾缘包括两段单圆弧和一段直线段，分别为：第一尾缘过渡圆弧l
ef
、第二尾缘过渡圆弧l
gh
和尾缘披缝直线l
fg
；所述前缘偏压力面圆弧l
ab
、前缘中部圆弧l
bc
、前缘偏吸力面圆弧l
cd
、吸力面三阶贝塞尔曲线l
de
、第一尾缘过渡圆弧l
ef
、尾缘披缝直线l
fg
、尾缘过渡圆弧l
gh
和压力面三阶贝塞尔曲线l
ha
依次首尾相接，且各交接处的切线斜率相等。
33.所述叶型前缘的三段单圆弧的圆弧半径满足如下关系：2r
ab
《r
bc
《3r
ab
，2r
cd
《r
bc
《3r
cd
；圆弧弧长满足如下关系：0.8l
ab
《l
bc
《1.2l
ab
，0.8l
cd
《l
bc
《1.2l
cd
；圆弧半径与几何弦长b满足如下关系：0.09≤r
ab
/b≤0.13，0.19≤r
bc
/b≤0.29，0.09≤r
cd
/b≤0.13。
34.所述第一尾缘过渡圆弧lef和第二尾缘过渡圆弧l
gh
的圆弧半径满足如下关系：0.005≤r
ef
/b≤0.007，0.005≤r
gh
/b≤0.007，所述尾缘披缝直线l
fg
的长度te满足如下关系：0.011≤te/b≤0.017。
35.所述叶型1满足如下规律：节弦比t/b值为0.8≤t/b≤1.2，展弦比h/b值为0.45≤t/b≤0.67，安装角的β值为24
°
≤β≤36
°
，出口几何角α的值为10
°
≤α≤15
°
，出口楔角的值为17
°
≤w2≤24
°
，尾缘弯折角δ的值为17
°
≤δ≤26
°
。
36.图3所示为本发明实施例静叶片的侧视图，所述静叶片为多个且沿周向均匀间隔布置，所述多个静叶片的数量n为：30≤n≤34，其中i-i、j-j、k-k位置的堆叠图如图4所示，本技术的叶型在不同叶高均采用相同型线，弦长沿展向逐渐增加。
37.图5所示为本发明实施例静叶片的载荷分布图，从中可以看出，在60％弦长处达到最大压降，扩压段幅度较之常规叶片更大，表明本发明设计完成的静叶片载荷分布合理；图6所示为本发明的端壁流线图，从中可以看到端壁处流线排列整齐，没有明显漩涡，表面端壁次流被抑制，可有效保证气动效率；同时，由于减少了叶片数，使得用于燃气轮机上的成圈静叶片的生产成本比常规设计降低20％以上，消耗冷气量低于常规设计10％以上。
38.以上所述仅为本技术的实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的申请范围内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。