孫 奇， 鄧國(guó)梁， 鐘主海

(東方汽輪機(jī)有限公司， 四川德陽(yáng) 618000)

汽輪機(jī)級(jí)內(nèi)損失很大一部分源于型面損失和二次流損失[1]，合理地選擇葉片和成型方法是減少葉片型面損失和二次流損失的關(guān)鍵。現(xiàn)代汽輪機(jī)的設(shè)計(jì)通常采用后加載葉片成型，該類葉片成型具有良好的二次流控制能力，同時(shí)兼顧了較低的葉片型面損失[2]。同樣，前加載葉片成型由于其具有良好二維繞流特性，在減少葉片型面損失方面通常優(yōu)于后加載葉片成型。所以，葉片成型時(shí)如何兼顧二者的特性，開(kāi)發(fā)高效的葉片值得研究。

汽輪機(jī)葉片成型主要經(jīng)歷了三個(gè)階段：從最早直葉片設(shè)計(jì)發(fā)展到扭曲葉片設(shè)計(jì)，再到復(fù)合成型的彎扭葉片設(shè)計(jì)。對(duì)于透平級(jí)氣動(dòng)設(shè)計(jì)而言，在直葉片基礎(chǔ)上增加扭曲和彎曲兩種設(shè)計(jì)方法，本質(zhì)上是為其增加了兩個(gè)設(shè)計(jì)自由度，以進(jìn)一步控制通流級(jí)內(nèi)動(dòng)葉與靜葉之間流場(chǎng)的合理匹配，降低流動(dòng)損失。

目前，國(guó)外的主要汽輪機(jī)生產(chǎn)廠家，如阿爾斯通、西門子、日立等公司，在葉片的三維成型設(shè)計(jì)方面，都已經(jīng)成功地使用彎扭聯(lián)合設(shè)計(jì)方法[3-4]。不同公司在葉片成型設(shè)計(jì)上采用的規(guī)律并不完全相同，如阿爾斯通低反動(dòng)度機(jī)組采用的控制密流流型；日立普遍使用的自由渦流型等。

葉片三維成型設(shè)計(jì)理念上的差異，主要源于不同公司對(duì)流動(dòng)損失產(chǎn)生機(jī)理的認(rèn)識(shí)不同，或?qū)ρ芯拷?jīng)驗(yàn)積累的程度不同。目前，對(duì)于旋轉(zhuǎn)機(jī)械內(nèi)部復(fù)雜的三元流動(dòng)，尤其是端部區(qū)域復(fù)雜的二次流動(dòng)，還無(wú)法用數(shù)值計(jì)算方法準(zhǔn)確定量地評(píng)估氣流的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和損失等。研究設(shè)計(jì)人員往往是將自己對(duì)流動(dòng)的理論認(rèn)識(shí)，與數(shù)值計(jì)算、實(shí)驗(yàn)結(jié)果相互結(jié)合，并將積累的經(jīng)驗(yàn)逐步反饋到后期的優(yōu)化與改進(jìn)中。筆者基于級(jí)內(nèi)流動(dòng)損失產(chǎn)生的機(jī)理，提出混合加載葉片成型的理念，將后加載葉片成型和前加載葉片成型應(yīng)用于同一葉片的成型中，控制沿葉高的密流分布和吸力面的壓力分布，以期得到較低的葉片型面損失和控制端部二次流的發(fā)展。

1 混合加載葉片成型

1.1 前、后加載葉片成型

對(duì)于典型的亞音速型線，型線吸力面由于較高的速度和局部出現(xiàn)的逆向壓力梯度，導(dǎo)致吸力面上的型面損失較大。

后加載葉片成型是目前汽輪機(jī)行業(yè)最常用的葉片成型，其最大汽動(dòng)負(fù)荷位置在流道的下游，葉柵流道前段壓力面與吸力面的壓差較小，橫向壓力梯度也較小，從而推遲了根頂部端部二次流的生成和發(fā)展，而且葉柵流道后半段因汽流膨脹加速，主流區(qū)的速度較高，減小了根頂部附面層汽流的堆積，使二次流損失降低。

相反，前加載葉片成型在葉柵流道進(jìn)口就開(kāi)始加載，葉片負(fù)荷增加，壓力面與吸力面的壓差較大，端部橫向二次流產(chǎn)生較早、發(fā)展較快，相對(duì)后加載葉片成型會(huì)增加端部損失。但前加載葉片成型由于葉片負(fù)荷增加，減小了葉片數(shù)，使尾跡損失減小，且整周葉片表面積減小，葉片型面損失較低。結(jié)合邊界層理論計(jì)算結(jié)果和相關(guān)風(fēng)動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果都已經(jīng)驗(yàn)證得到：前加載葉片成型可以減小型面損失。

對(duì)前加載和后加載葉片成型進(jìn)行了平面葉柵試驗(yàn)[5]，圖1為葉片成型表面相對(duì)壓力分布測(cè)量結(jié)果。

圖1 前、后加載葉片成型表面相對(duì)壓力分布

由圖1可得：前加載葉片成型在葉柵通道進(jìn)口段就開(kāi)始加載，壓力面與吸力面的壓差較大，葉片負(fù)荷明顯較后加載葉片成型大；后加載葉片成型主要集中在葉柵通道后半段加載，在葉柵通道前半段壓力面和吸力面的壓差較小。

圖2顯示了試驗(yàn)中采用不同葉片成型方法時(shí)，能量損失系數(shù)隨攻角變化，前加載葉片成型的能量損失系數(shù)較后加載葉片成型小。

圖2 前、后加載葉片成型能量損失系數(shù)隨攻角變化

在汽輪機(jī)通流設(shè)計(jì)中，兩種葉片成型方法可用于不同的級(jí)段中，在汽輪機(jī)的高壓缸中，由于汽流比體積很小，汽輪機(jī)的容積流量小，葉片的葉高也相應(yīng)較小，此時(shí)通道內(nèi)端部二次流損失占總損失的比較大[6]，一般采用后加載葉片成型控制二次流損失。在汽輪機(jī)中壓缸后段級(jí)或低壓缸中，葉片的相對(duì)葉高很大，此時(shí)端部二次流損失影響程度較小，則可以選擇前加載、高負(fù)荷葉片成型，在減小葉片數(shù)量的同時(shí)也能合理地控制型面損失。

1.2 混合加載

通常選定葉片成型后，還需要結(jié)合特定的扭轉(zhuǎn)和彎曲規(guī)律，來(lái)控制如反動(dòng)度、汽流角、攻角、密流等參數(shù)沿葉高的分布，進(jìn)一步控制葉片型面損失、二次流損失和漏汽損失[7-8]。

目前，將彎扭聯(lián)合成型應(yīng)用在設(shè)計(jì)靜葉片比動(dòng)葉片相對(duì)普遍且成熟，這與動(dòng)葉片中存在更為復(fù)雜的三元流動(dòng)及更嚴(yán)格的強(qiáng)度約束有關(guān)。雖然不同公司在運(yùn)用彎扭聯(lián)合成型方法設(shè)計(jì)靜葉時(shí)所依據(jù)的彎扭規(guī)律不同，但幾乎所有公司都是使用同一種二維葉片成型作為母型，不同葉高處的二維葉片成型則通過(guò)?；?保證幾何相似)的方法來(lái)控制葉寬的變化，并結(jié)合特定的扭轉(zhuǎn)和彎曲規(guī)律，實(shí)現(xiàn)葉片的三維成型[9]。

為進(jìn)一步降低流動(dòng)損失，可采用混合加載葉片：調(diào)整葉片成型中部區(qū)域的載荷分配，改變?nèi)~片成型表面沿葉高的壓力分布，進(jìn)一步抑制低能量汽流在附面層內(nèi)的徑向竄動(dòng)。在二次流影響程度較大的根、頂部區(qū)域，使用后加載葉片成型；從根、頂部逐漸向中部靠近時(shí)，二次流程度影響逐漸減弱，采用前加載葉片成型，需要對(duì)采用該葉片成型的強(qiáng)度和撓度進(jìn)行評(píng)估。該設(shè)計(jì)思路是在目前彎扭聯(lián)合成型的設(shè)計(jì)思路上，提出通過(guò)二維葉片成型載荷分配方式沿葉高的變化規(guī)律，對(duì)靜葉子午面壓力分布進(jìn)行調(diào)整，將其稱為混合加載葉片成型。

2 混合加載葉片機(jī)理分析

2.1 混合加載葉片成型

基于成型載荷分配方式沿葉高的變化規(guī)律，使用東方汽輪機(jī)有限公司自主研發(fā)的前加載和后加載葉片成型，作為混合加載葉片初步分析的葉片成型，并結(jié)合平面葉柵試驗(yàn)結(jié)果中有關(guān)安裝角、相對(duì)柵距對(duì)型面損失影響的數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)了具有混合加載特性的靜葉。

在成型過(guò)程中，前加載葉片成型的幾何安裝角比后加載葉片成型小，且載荷分配差距增大時(shí)，安裝角差異也會(huì)相應(yīng)增大。對(duì)于靜葉片而言，根部、中部、頂部的葉片成型的安裝角差異太大，且呈兩端大、中間小的趨勢(shì)，會(huì)增加葉片成型的難度，且形狀可能不光順，從而需要縮小前加載葉片成型(中部)和后加載葉片成型(根部)安裝角的差異，并設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)渡葉片成型。設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的混合加載靜葉葉高為85 mm，根部寬度約為65 mm，具有汽輪機(jī)高壓缸中、后段級(jí)的高、寬特征，具體見(jiàn)圖3。

圖3 混合加載靜葉模型

2.2 對(duì)葉片流道內(nèi)流場(chǎng)分布的影響

基于成型的混合加載葉片，對(duì)單靜葉排進(jìn)行了三維數(shù)值計(jì)算分析，以研究其內(nèi)部流場(chǎng)的特征，并與僅使用后加載葉片成型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，從機(jī)理上分析其流動(dòng)特性是否達(dá)到預(yù)期。

圖4為后加載葉片成型方案和混合加載葉片成型方案中靜葉吸力面靜壓在子午面上的分布示意圖。后加載葉片成型方案采用直葉片，其壓力基本是沿徑向基本呈現(xiàn)直線形，而混合加載葉片成型中靜葉則有明顯的C形壓力分布特征。

圖4 靜葉背弧表面壓力在子午面上的分布

在靜葉子午面內(nèi)產(chǎn)生C形壓力分布的主要目的是限制葉片吸力面上邊界層內(nèi)的徑向流動(dòng)，從而有效限制二次流損失。產(chǎn)生C形壓力分布的方法有多種，使用較多的有以下三種方法：

(1) 靜葉在軸向的彎曲。改變?nèi)~片不同葉高處葉片成型的軸向擺放位置，形成C形壓力進(jìn)出口子午面邊界，不同葉高處的汽流由于進(jìn)入葉片成型時(shí)所處的軸向位置不同，則膨脹度也會(huì)不同，故在子午面上將會(huì)形成C形壓力分布。這種方法主要控制了徑向二次流，但端部的橫向二次流并沒(méi)有從本質(zhì)上有所改變，同時(shí)，由于出汽邊的C形形狀，汽流到達(dá)下游動(dòng)葉片排的軸向距離有較大差別，汽流的摻混效應(yīng)會(huì)增強(qiáng)，同時(shí)會(huì)增加靜動(dòng)間隙匹配的設(shè)計(jì)難度。

(2) 靜葉在切向的彎曲。主要是通過(guò)提供葉片力改變壓力沿葉高的分布，要產(chǎn)生C形壓力分布，則需要在葉片根部區(qū)域提供向內(nèi)徑方向的葉片力，在葉片頂部區(qū)域提供向外徑方向的葉片力，從而可以增大兩端壓力，減小中部壓力。切向彎曲葉片在可以減小吸力面上附面層的徑向竄動(dòng)程度的同時(shí)，可以減小根、頂部區(qū)域的汽流速度，從而減小該區(qū)域的橫向二次流損失。

(3) 葉片的扭曲。通過(guò)減小根、頂部葉片區(qū)域的安裝角，減小軸寬，增大中部葉片區(qū)域的安裝角，增大軸寬，可以實(shí)現(xiàn)葉片進(jìn)口處呈C形壓力分布的特點(diǎn)。

筆者采用的混合加載葉片成型中靜葉子午面內(nèi)同樣可以形成C形壓力分布特點(diǎn)，但形成原因與以上幾種方法不同：中間葉高區(qū)域使用前加載葉片成型，則汽流在葉片前緣區(qū)域的膨脹度較大，壓力下降較快；而在根、頂部區(qū)域使用后加載葉片成型，則汽流在葉片前緣區(qū)域的膨脹度較小，故壓力下降較慢。在相同的子午面的沿流向位置處，則會(huì)出現(xiàn)壓力呈兩端高、中間低的分布情況，即C形壓力分布特點(diǎn)。

圖5為靜葉出口相對(duì)密流(密流=軸向速度×密度)沿相對(duì)葉高的分布圖?；旌霞虞d葉片成型根頂部采用了后加載葉片成型、中部采用了前加載葉片成型，并沿葉高匹配合理的安裝角，很大程度地減小了兩端的密流、增大了中部密流。

圖5 靜葉出口相對(duì)密流沿相對(duì)葉高的分布

圖6為靜葉出口能量損失系數(shù)沿相對(duì)葉高的分布。由圖6可得：采用混合加載葉片成型后，葉片中部區(qū)域的損失有了很大程度的減小。減小的原因主要有兩個(gè)方面：中部主流區(qū)域采用了前加載葉片成型后，減小了汽流折轉(zhuǎn)角；同時(shí)，由于根、頂部采用了后加載葉片成型和沿葉高C形壓力分布的特點(diǎn)，控制了根、頂部二次流的生成和發(fā)展，有效降低了根、頂部二次流損失。

圖6 靜葉出口能量損失系數(shù)沿相對(duì)葉高的分布

3 結(jié)語(yǔ)

筆者首先提出了混合加載葉片的概念，即在彎扭聯(lián)合成型設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上提出通過(guò)二維葉片成型載荷分配方式沿葉高的變化規(guī)律，對(duì)靜葉子午面內(nèi)壓力分布進(jìn)行調(diào)整，并對(duì)內(nèi)部流動(dòng)的機(jī)理進(jìn)行分析，可以得到如下結(jié)論：

(1) 葉片中部區(qū)域二次流影響程度減小時(shí)，適當(dāng)將葉片成型載荷提前，使用前加載葉片成型，可以減小葉片中部區(qū)域的型面損失。

(2) 混合加載葉片成型方法可以使葉片子午面的壓力沿葉高呈C形分布，對(duì)減小徑向二次流動(dòng)具有積極作用；與混合加載葉片成型方法配合葉片彎扭規(guī)律，一方面滿足了葉片合理成型的需求，另一方面增大中部的密流，有利于降低流動(dòng)損失。

(3) 混合加載葉片成型方法要求在葉片二次流損失嚴(yán)重的端部區(qū)域使用后加載葉片成型，在二次流影響較弱的中部區(qū)域使用前加載葉片成型，有利于降低流動(dòng)損失，該方法優(yōu)先適用于中等葉高水平的通流級(jí)。后續(xù)應(yīng)結(jié)合相應(yīng)的通流級(jí)進(jìn)行三維數(shù)值計(jì)算分析，確定優(yōu)化方案，并規(guī)劃試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。