專利名稱：提高能量轉(zhuǎn)換效率的葉輪機械葉片設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種提高能量轉(zhuǎn)換效率的葉輪機械葉片設(shè)計方法，屬于葉輪機械領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
葉輪機械是以流體為工質(zhì)的高速旋轉(zhuǎn)機械。其功能是使流體的壓力和流速升高或降低，以滿足某種需要，應(yīng)用最普遍的有汽輪機、燃氣輪機、水輪機、壓縮機和泵類等。流體通過葉輪機械時，在其狀態(tài)改變的同時也實現(xiàn)了功和能的轉(zhuǎn)換，這些都由葉片完成，所以葉片是葉輪機械的心臟。如附圖1中所示，葉片可分靜葉片1和動葉片2。靜葉片1設(shè)在靜子3上；動葉片設(shè)在轉(zhuǎn)子4上。現(xiàn)有技術(shù)中，葉輪機械的能量轉(zhuǎn)換效率約為75-93％，即能量損失占7-25％。葉輪機械能量的損失主要包括兩部分葉型損失和端部損失。下面以氣輪機為例，說明造成能量損失的主要原因。
如附圖1、附圖2(a)、附圖2(b)、附圖2(c)中所示，一方面流體流經(jīng)葉片時，產(chǎn)生葉型損失，葉片的內(nèi)弧10和背弧11的壓力分布與葉型損失密切相關(guān)；另一方面在端壁區(qū)附面層內(nèi)，流體流速很低，慣性力平衡不了壓差，流體在由上游流向下游的同時，也從內(nèi)弧流向相鄰葉片的背弧，并與背弧相撞，在角隅處形成旋渦，從而導(dǎo)致端部損失增加。圖中5為葉高向間隙區(qū)；7為葉片進氣邊，8為葉片出氣邊。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種提高能量轉(zhuǎn)換效率的葉輪機械葉片設(shè)計方法，可以使得葉輪機械葉片內(nèi)弧和背弧的壓力分布有利于下降葉型損失，并且可以減少端壁內(nèi)弧和背弧的壓差，以削弱端壁旋渦強度，從而下降端部損失。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的一種提高能量轉(zhuǎn)換效率的葉輪機械葉片設(shè)計方法，在葉片端部區(qū)設(shè)置孔隙，將葉片的背弧低壓區(qū)與壓力高于背弧低壓區(qū)的高壓區(qū)之間連通，平衡葉片端部內(nèi)弧和背弧的壓差；所述的高壓區(qū)包括葉片間的流道、葉片表面、靜葉片的內(nèi)環(huán)表面、靜葉片的外環(huán)表面、動葉片圍帶表面和葉根表面；所述的端部區(qū)包括沿葉片高度方向、距內(nèi)外端壁20％葉高范圍內(nèi)的流道和壁面、以及內(nèi)環(huán)、外環(huán)、葉根和圍帶。
在葉片流道內(nèi)、外壁各設(shè)置一塊消渦端板，與內(nèi)、外端壁構(gòu)成孔隙，通過孔隙將進口高壓區(qū)、端壁高壓區(qū)和背弧低壓區(qū)相連通；在所述的消渦端板上設(shè)置平衡孔。
在所述的葉片內(nèi)部設(shè)置內(nèi)消渦端孔或在內(nèi)端壁和外端壁上設(shè)置端壁消渦孔，構(gòu)成周向消渦端孔；所述的周向消渦端孔可以是顯示周向消渦端孔，或隱式周向消渦端孔，或混合式周向消渦端孔。
在背弧端壁區(qū)與內(nèi)弧端壁區(qū)附近沿葉高方向設(shè)置孔隙，構(gòu)成葉高向消渦孔；所述的背弧區(qū)的葉高向消渦孔盡量靠近背??；內(nèi)弧區(qū)的葉高向消渦孔與內(nèi)弧之間可有距離。
在所述葉片的葉根部位設(shè)置有葉根消渦孔，其高壓區(qū)為葉片中間的縫隙，直達出氣邊。
本發(fā)明由于在葉片端部設(shè)置孔隙，將高壓區(qū)的流體引向葉片端部背弧低壓區(qū)，一方面可以緩減端壁區(qū)內(nèi)弧和背弧的壓差，下降端部的壓力損失；另一方面，引向背弧的流體影響了主流區(qū)葉型表面的壓力分布，并向有利于降低葉型損失的方向變化。最終提高了葉輪機械的能量轉(zhuǎn)換效率。本發(fā)明可廣泛的適用于所有以流體為工質(zhì)的，各種軸流式、徑流式和混流式葉輪機械領(lǐng)域，如汽輪機、燃氣輪機、水輪機、壓縮機和泵等。


附圖1為葉輪機械中氣輪機的通流部分示意圖附圖2(a)為葉輪機械主流區(qū)的流譜圖附圖2(b)為葉輪機械葉高向間隙區(qū)示意圖附圖2(c)為葉輪機械葉片內(nèi)弧、背弧和葉高向間隙區(qū)的壓力分布圖附圖3為本發(fā)明各種消渦端板和消渦孔隙在葉片中的位置示意圖附圖4(a)為本發(fā)明消渦端板示意圖附圖4(b)為本發(fā)明附圖4(a)的A-A剖視圖附圖5(a)為本發(fā)明圍帶結(jié)構(gòu)中的周向消渦孔示意圖附圖5(b)為本發(fā)明附圖5(a)的B-B剖視圖附圖5(c)為本發(fā)明附圖5(a)的C-C剖視圖附圖6(a)本發(fā)明拼焊結(jié)構(gòu)中的周向消渦孔示意圖附圖6(b)為本發(fā)明附圖6(a)的B-B剖視圖附圖6(c)為本發(fā)明附圖6(a)的C-C剖視圖附圖7(a)為本發(fā)明拼焊結(jié)構(gòu)中端壁周向消渦孔的示意圖附圖7(b)為本發(fā)明附圖7(a)的B-B剖視圖附圖8(a)為本發(fā)明葉高向消渦端孔示意圖附圖8(b)為本發(fā)明附圖8(a)的E-E剖視圖附圖9(a)為本發(fā)明葉根消渦孔示意圖附圖9(b)為本發(fā)明附圖9(a)的剖面圖附圖9(c)為本發(fā)明附圖9(b)的F-F剖面圖
具體實施例方式下面以上述附圖為本發(fā)明的實施例，對本發(fā)明進行進一步的說明本發(fā)明的技術(shù)方案是在葉片端部區(qū)設(shè)置孔隙，將葉片的背弧低壓區(qū)與壓力高于背弧低壓區(qū)的高壓區(qū)之間連通，平衡葉片端部內(nèi)弧和背弧的壓差。所述的高壓區(qū)包括葉片間的流道、葉片表面、靜葉片的內(nèi)環(huán)20表面、靜葉片的外環(huán)21表面、動葉片圍帶18表面和葉根37表面。實際上常用的高壓區(qū)只有如下幾部分第一部分是葉片進口區(qū)30或出口區(qū)39；第二部分是端部區(qū)，即沿葉片高度方向、距內(nèi)外端壁20％葉高范圍內(nèi)的流道和壁面，以及內(nèi)環(huán)20、外環(huán)21、葉根37和圍帶18；第三部分則是葉高向間隙區(qū)5。
實施例1如附圖3、附圖4(a)和附圖4(b)中所示附圖3中僅僅是集中給出了各種消渦端板和消渦孔隙在葉片中的位置示意，在實際工程應(yīng)用中，同一級葉片只需要采用一種消渦端板或消渦孔隙。
本實施例中，在葉片流道內(nèi)、外壁各設(shè)置一塊消渦端板22，與內(nèi)、外端壁構(gòu)成孔隙34，通過孔隙34將進口高壓區(qū)30、端壁高壓區(qū)31和背弧低壓區(qū)33相連通；在所述的消渦端板22上設(shè)置平衡孔32。于是端壁內(nèi)弧和背弧壓差減小，難以形成強烈的端壁旋渦。
實施例2如附圖3、附圖5(a)、附圖5(b)、附圖5(c)、附圖6(a)、附圖6(b)、附圖6(c)、附圖7(a)、附圖7(b)中所示在本實施例中給出了各種周向消渦端孔的設(shè)置方式，在所述的葉片內(nèi)部設(shè)置內(nèi)消渦端孔23、24、25，附圖5給出了內(nèi)周向消渦端孔在葉片中的位置；還可以在內(nèi)端壁27和外端壁28上設(shè)置端壁消渦孔26，構(gòu)成周向消渦端孔。如附圖3、附圖7(a)、附圖7(b)所示，所述的周向消渦端孔可以是顯示周向消渦端孔23，或隱式周向消渦端孔24，或混合式內(nèi)周向消渦端孔25。圖中30為進口高壓區(qū)。
實施例3如附圖8(a)、附圖8(b)中所示本實施例中給出了葉高向消渦孔的設(shè)置方式。從附圖2(c)中可以看出各部分壓力沿流向的分布情況，圖中12為內(nèi)弧壓力分布，13為背弧壓力分布，14為葉高向間隙區(qū)壓力分布。附圖8(a)中18是動葉圍帶，5為葉高向間隙區(qū)。在背弧11端壁區(qū)與內(nèi)弧10端壁區(qū)附近沿葉高方向設(shè)置孔隙35、36，構(gòu)成葉高向消渦孔；背弧區(qū)葉高向消渦孔36盡量靠近背弧壁面；內(nèi)弧區(qū)的葉高向消渦孔與內(nèi)弧壁面35之間可有一定的距離。如附圖2(b)、附圖2(c)所示，由于葉高向間隙中的壓力低于內(nèi)弧壓力，高于背弧壓力，內(nèi)弧高壓流體由消渦孔流進間隙區(qū)，而間隙區(qū)流體又通過背弧消渦孔流入背弧低壓區(qū)，同樣可以平衡端壁壓差。
實施例4如附圖9(a)、附圖9(b)、附圖9(c)中所示本實施例為葉根消渦孔，其設(shè)置方式用于帶有葉根的葉片，如反動式汽輪機和氣體壓縮機葉片。圖9所示為軸流式壓縮機的靜葉片，在所述葉片的葉根部位37設(shè)置有葉根消渦孔38，其高壓區(qū)39為葉片中間的縫隙，直達出氣邊8。
權(quán)利要求
1.一種提高能量轉(zhuǎn)換效率的葉輪機械葉片設(shè)計方法，其特征在于在葉片端部區(qū)設(shè)置孔隙，將葉片的背弧低壓區(qū)與壓力高于背弧低壓區(qū)的高壓區(qū)之間連通，平衡葉片端部內(nèi)弧和背弧的壓差；所述的高壓區(qū)包括葉片間的流道、葉片(1、2)表面、靜葉片的內(nèi)環(huán)(20)表面(20)、靜葉片的外環(huán)(21)表面、動葉片圍帶(18)表面和葉根(37)表面；所述的端部區(qū)包括沿葉片高度方向、距內(nèi)外端壁20％葉高范圍內(nèi)的流道和壁面，以及內(nèi)環(huán)(20)、外環(huán)(21)、葉根(37)和圍帶(18)。
2.如權(quán)利要求1中所述的提高能量轉(zhuǎn)換效率的葉輪機械葉片設(shè)計方法，其特征在于在葉片流道內(nèi)、外端壁(27、28)各設(shè)置一塊消渦端板(22)，與內(nèi)、外端壁構(gòu)成孔隙(34)，通過孔隙(34)將進口高壓區(qū)(30)、端壁高壓區(qū)(31)和背弧低壓區(qū)(33)相連通；在所述的消渦端板(22)上設(shè)置平衡孔(32)。
3.如權(quán)利要求1中所述的提高能量轉(zhuǎn)換效率的葉輪機械葉片設(shè)計方法，其特征在于在所述的葉片內(nèi)部設(shè)置內(nèi)消渦端孔(23、24、25)或在內(nèi)端壁(27)和外端壁(28)上設(shè)置端壁消渦孔(26)，構(gòu)成周向消渦端孔；所述的周向消渦端孔可以是顯示周向消渦端孔(23)，或隱式周向消渦端孔(24)，或混合式周向消渦端孔(25)。
4.如權(quán)利要求1中所述的提高能量轉(zhuǎn)換效率的葉輪機械葉片設(shè)計方法，其特征在于在背弧(11)端壁區(qū)與內(nèi)弧(10)端壁區(qū)附近，沿葉高方向設(shè)置孔隙(35、36)，構(gòu)成葉高向消渦孔；所述的背弧區(qū)的葉高向消渦孔(36)盡量靠近背??；內(nèi)弧區(qū)的葉高向消渦孔(35)與內(nèi)弧(10)之間可有距離。
5.如權(quán)利要求1中所述的提高能量轉(zhuǎn)換效率的葉輪機械葉片設(shè)計方法，其特征在于在所述葉片的葉根部位(37)設(shè)置有葉根消渦孔(38)，其高壓區(qū)(39)為葉片中間的縫隙，直達出氣邊(8)。
全文摘要
一種提高能量轉(zhuǎn)換效率的葉輪機械葉片設(shè)計方法，屬于葉輪機械領(lǐng)域，其特征在于在葉片端部區(qū)設(shè)置孔隙，將葉片的背弧低壓區(qū)與壓力高于背弧低壓區(qū)的高壓區(qū)之間連通，平衡葉片端部內(nèi)弧和背弧的壓差；所述的高壓區(qū)包括葉片間的流道、葉片表面、靜葉片的內(nèi)環(huán)表面、靜葉片的外環(huán)表面、動葉片圍帶表面和葉根表面。本發(fā)明一方面可以緩減端壁區(qū)內(nèi)弧和背弧的壓差，下降端部的壓力損失；另一方面，引向背弧的流體影響了主流區(qū)葉型表面的壓力分布，并向有利于降低葉型損失的方向變化，最終提高了葉輪機械的能量轉(zhuǎn)換效率。本發(fā)明可廣泛適用于以流體為工質(zhì)的，各種軸流式、徑流式和混流式葉輪機械領(lǐng)域，如汽輪機、燃氣輪機、水輪機、壓縮機和泵等。
文檔編號F01D9/02GK1828024SQ200510033429
公開日2006年9月6日 申請日期2005年3月4日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月4日
發(fā)明者徐大懋 申請人:徐大懋