一种低展弦比高压涡轮端弯导流叶片及具有其的涡轮机

技术领域

本发明涉及涡轮机叶片技术领域，具体涉及一种低展弦比高压涡轮端弯导流叶片及具有其的涡轮机。

背景技术

随着常规能源短缺以及环境问题的日益严重，工业余压余热、可再生能源的做功发电、压缩空气储能技术等新兴能源转换利用手段成为亟需发展的重要技术。在这些技术中，提高涡轮运行效率使改善能源系统做功能力乃至整个系统性能的关键环节。

低展弦比涡轮常见于压缩空气储能、超临界二氧化碳循环等利用高压气体出功的能源系统中。由于涡轮导叶相对高度较低，叶片端壁二次流会造成导叶通道内流场压力、速度、气流角的不均匀分布，并对下游动叶流场产生不良影响，现有技术中通常利用弯曲叶片来改善上述问题。通过对叶片进行弯曲造型，调整叶片通道内的流场压力沿径向的分布，改善叶片通道内旋涡分布，降低二次流损失。但是高压涡轮机的工作介质密度高，导叶展弦比低，导叶通道内的端壁二次流和通道涡占叶高的比例大，对流场影响高，导致下游动叶进口气流分布混乱，造成动叶内部流动损失大，涡轮机效率低。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的低弦比高压涡轮下游动叶进口气流分布混乱，造成动叶内部流动损失大涡轮机效率低的缺陷，从而提供一种低展弦比高压涡轮端弯导流叶片及具有其的涡轮机。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种低展弦比高压涡轮端弯导流叶片，

叶片本体呈“J”型，所述叶片本体的凹面为压力面，所述叶片本体的凸面为吸力面；

所述叶片本体的弯曲角度为5°～13°，所述叶片本体弯曲部的高度占整个叶片高度的30％～90％；

所述叶片本体的高度与叶片本体的弦长的比值为0.4～0.6。

可选地，所述叶片本体为正弯叶片，所述压力面与两个端面之间的夹角均为锐角；

可选地，所述叶片本体在轮毂端壁附近进行径向弯曲。

可选地，所述叶片本体截面线性不变，控制样条形状的中间点高度位于弯曲部高度的50％处。

可选地，所述叶片本体的弯曲样式采用B样条曲线。

可选地，叶片本体在叶顶处和/或叶根处均设置有倒角。

本发明还提供一种涡轮机，具有本发明所述的低展弦比高压涡轮端弯导流叶片。

本发明技术方案，具有如下优点：

1.本发明提供的低展弦比高压涡轮端弯导流叶片，叶片本体呈“J”型，所述叶片本体的凹面为压力面，所述叶片本体的凸面为吸力面；所述叶片本体的弯曲角度为5°～13°，所述叶片本体弯曲部的高度占整个叶片高度的30％～90％；所述叶片本体的高度与叶片本体的弦长的比值为0.4～0.6。叶片本体采用轮毂端壁径向弯曲结构，使动叶顶前缘鞍点位置向下游后移，减小吸力面马蹄涡分支影响范围，使得吸力面马蹄涡分支影响范围集中在叶片吸力面附近，由此使上通道涡与周边流体作用降低，减小流体流动损失，能够有效提高涡轮效率。

2.本发明提供的低展弦比高压涡轮端弯导流叶片，叶片本体为正弯叶片，所述压力面与两个端面之间的夹角均为锐角；端弯整流叶片为正弯形式，在不改变静叶节距与叶片数的条件下，端弯导流叶片使轮毂和机匣附近的动叶进口气流角发生变化，能够有效消除动叶前缘根部的滞止鞍点，减少马蹄涡影响范围以及与端壁二次流的作用路径和强度，抑制动叶下通道涡引起流动损失，提高涡轮效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的实施方式中提供的低展弦比高压涡轮端弯导流叶片的结构示意图。

图2为本发明的实施方式中提供的低展弦比高压涡轮端弯导流叶片的主视图。

图3为本发明的实施方式中提供的低展弦比高压涡轮端弯导流叶片的左视图。

图4为本发明的实施方式中提供的低展弦比高压涡轮端弯导流叶片的俯视视图。

图5为本发明的实施方式中提供的低展弦比高压涡轮端弯导流叶片出口能HA202208743

量损失系数沿叶高的分布图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

如图1至图4所示为本实施例提供的一种低展弦比高压涡轮端弯导流叶片，该叶片为涡轮叶栅中的静叶栅。

叶片本体呈“J”型，叶片本体的凹面为压力面，叶片本体的凸面为吸力面。叶片本体的弯曲角度为5°～13°，叶片本体弯曲部的高度占整个叶片高度的30％～90％；叶片本体的高度与叶片本体的弦长的比值为0.4～0.6。具体地，本实施例中，叶片的弯曲角度θ为13°，弯曲高度C1占整个叶片高度H的30％。本实施例中的端弯导流叶片适用于低展弦比涡轮导叶，其展弦比范围为0.5，即叶片本体高度与叶片本体弦长的比值为0.5。

叶片本体为正弯叶片，压力面与两个端面之间的夹角均为锐角。叶片本体截面线性不变，叶片本体在轮毂端壁附近进行径向弯曲。叶片本体的弯曲样式采用B样条曲线，控制样条形状的中间点高度位于弯曲部高度的50％处。叶片本体在叶顶和叶根处均设置有倒角，便于加工制造。

由于高压涡轮机工作介质的密度较高，导叶展弦比较低时，导叶通道内的端壁二次流和通道涡占叶高比例大，对流场影响较高，并且进一步对下游动叶进口气流分布会产生不良影响，造成动叶片内部的流体流动损失大，导致整个涡轮机效率偏低。

本实施例提供的低展弦比高压涡轮端弯导流叶片，采用轮毂端壁径向弯曲结构，其中，端弯导流叶片为高压涡轮叶栅中的静叶栅；端弯导流叶片为正弯形式，其压力面与轮毂端面夹角为锐角。叶片本体保持静叶型线不变，通过涡轮导叶轮毂端壁径向弯曲，在不改变静叶节距与叶片数的条件下，端弯导流叶片使轮毂和机匣附近的动叶进口气流角发生变化，能够有效消除动叶前缘根部的滞止鞍点，减少马蹄涡影响范围以及与端壁二次流的作用路径和强度，抑制动叶下通道涡引起流动损失；同时叶片本体由现有的C型改变为J型，使动叶顶前缘鞍点位置向下游后移，吸力面马蹄涡分支影响范围减小，集中在叶片吸力面附近，由此使上通道涡与周边流体作用降低，能够改变静叶出口速度分布，使得动叶进气条件得到改善，降低流体在动叶片内部的流动损失，能够有效提高涡轮效率。

采用计算流体动力学CFD软件对某一带有实现动叶增效的低展弦比高压涡轮端弯导流叶片的涡轮级进行全三维数值分析表明，本发明可以提高涡轮效率，示例如下表。

上表为采用实现动叶增效的低展弦比高压涡轮端弯导流叶片(端弯导叶)与原型直导流叶片(原型导叶)的效率及流量对比。采用轮毂端壁正弯导叶的涡轮级，涡轮的效率提高0.77％，流量提高0.1kg/s，在提高效率的同时涡轮通流能力也有部分改善。

如图5所示为动叶出口处能量损失系数沿叶高分布，图5中可以看出低展弦比高压涡轮端弯导流叶片降低了动叶通道内的叶顶间隙泄漏涡和下通道涡引起的流动损失，提高了涡轮机的效率。

实施例2

本实施例提供一种涡轮机，具有实施例1中所述的低展弦比高压涡轮端弯导流叶片。通过在动叶导流片前安装低展弦比高压涡轮端弯导流叶片，使动叶顶前缘鞍点位置向下游后移，吸力面马蹄涡分支影响范围减小，集中在叶片吸力面附近，由此使上通道涡与周边流体作用降低，能够改变静叶出口速度分布，使得动叶进气条件得到改善，降低了流体在动叶片内部的流动损失，能够有效提高涡轮效率。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。