[发明专利]一种兆瓦级径向透平膨胀机可调喷嘴叶片的设计方法

说明书

本发明涉及一种膨胀机可调喷嘴叶片的设计方法，属于径向透平领域。其目的是为了解决现有技术尚未针对喷嘴叶片进行设计，导致喷嘴出口气流不均匀，直接冲击叶轮会造成高周疲劳的问题。包括以下步骤：给定喷嘴机构约束尺寸、分析影响喷嘴设计的各个参数，研究对性能变化规律，修正相应初选参数、专业软件三维分析综合评定喷嘴性能和专业软件三维分析综合评定喷嘴性能。创造了修正叶型的独特设计方法，使喷嘴出口气流均匀，降低对叶轮的冲击。

技术领域

本发明涉及一种可调喷嘴叶片的设计方法，属于径向透平领域。

背景技术

在透平膨胀机中，影响效率的主要部件有喷嘴叶片和膨胀机叶轮，其中，喷嘴的影响最大，喷嘴速度系数提高一个百分点，整台膨胀机的效率也差不多提高一个百分点，透平膨胀机调节流量的方式都是采用可调喷嘴结构，喷嘴叶片的型线的光滑决定了进气道的顺滑。

喷嘴环由若干个导向叶片组成，各叶片等间距布置在叶轮入口，气流经过喷嘴通道中压力下降，流速逐渐增加。喷嘴出口气流非常不均匀，具有强烈的脉动性质，若直接冲击叶轮会造成高周疲劳，因此在喷嘴与叶轮之间通常会设置径向间隙，保证气流的充分掺混。

基于上述问题，亟需提出一种兆瓦级径向透平膨胀机可调喷嘴叶片的设计方法，以解决上述技术问题。

发明内容

本发明提供一种兆瓦级径向透平膨胀机可调喷嘴叶片的设计方法，其目的是为了解决现有技术尚未针对喷嘴叶片进行设计，导致喷嘴出口气流不均匀，直接冲击叶轮会造成高周疲劳的问题。在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。

本发明的技术方案：

一种兆瓦级径向透平膨胀机可调喷嘴叶片的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：在一维设计中，实际工程中给定喷嘴机构约束尺寸，喷嘴叶片弦长/喷嘴出口节距为b/l_1n，喷嘴叶片数Z_N；

分析影响喷嘴设计的各个参数，研究对性能变化规律，修正相应初选参数：

a.在一维设计中，喷嘴与叶轮径向间隙Δr，径向间隙Δr的相对定义如下：

式中D₁为叶轮入口直径，D_1n为喷嘴出口直径；

b.在一维设计评估中，工程中适用选定喷嘴进口直径D₀；

c.在一维设计评估中，工程中适用，选定叶片的进口气流角α₁，喷嘴出口气流角α_1n与叶片的进口气流角α₁相对应；

d.初步选定喷嘴出口直径与叶轮入口直径比值D_1n/D₁；

e.在专业设计软件中完成以下三维设计，选取喷嘴叶型选取中重点关注大厚度进口和气动性能，以此叶型为基础进行喷嘴叶型设计，在进口端进行了局部加厚，进口段R15.77。

步骤三：专业软件三维分析综合评定喷嘴性能：

A.喷嘴叶型选定后，流场分析中重点关注流场分离尽量较小和保证叶栅通道内加速状态，使用专业设计软件生成喷嘴叶型流场的分布云图，对熵分布云图进行分析，除了在吸力面出口段存在较小的流动分离损失和尾迹损失外，整个流场没有其他损失存在；使用专业设计软件生成流场的绝对马赫数分布云图，并分析绝对马赫数分布云图，在叶栅通道内，速度分布层次明显，在整个通道内流动呈现明显的加速状态，不存在通道扩张的情况，完成对选定后的喷嘴叶型的初步校核；