淺談彎扭葉片的作用機(jī)理及實(shí)踐應(yīng)用

葛臣忠

（哈爾濱三維汽輪機(jī)葉片有限公司，黑龍江 哈爾濱 150040）

自上世紀(jì)60年代初提出采用彎扭葉片改善氣動(dòng)性能的思想以來，隨著研究的深入，理論進(jìn)一步完善。彎曲葉片能有效地控制渦輪葉柵內(nèi)部二次流動(dòng)，大大改善級(jí)的特性；同時(shí)能夠提高根部反動(dòng)度，降低頂部反動(dòng)度，達(dá)到均化反動(dòng)度沿葉高分布的目的，這對(duì)于改善蒸汽透平末幾級(jí)中根部和頂部反動(dòng)度差別大和根部的負(fù)反動(dòng)度極為有利，從而改善整個(gè)級(jí)的氣動(dòng)性能。

1 彎扭葉片的定義

彎葉片是指葉片在成形過程中積迭線沿周向或弦法向方向彎曲，葉片形狀對(duì)稱于中徑。正彎葉片是這樣定義的，其吸力面與端壁的夾角是鈍角，壓力面與端壁的夾角是銳角。反彎葉片與之相反。扭葉片是沿葉高變角度彎曲。彎扭葉片是將彎與扭合理匹配。

2 彎扭葉片的作用機(jī)理

2.1 對(duì)靜壓分布的影響

由徑向平衡方程

可以看出：上式中等號(hào)左端的徑向壓力梯度由右端的四項(xiàng)決定。右端第一項(xiàng)為離心力項(xiàng)，恒為正值。第二項(xiàng)為在子午面內(nèi)由流線曲率造成的離心力在徑向分量，第三項(xiàng)為流體的運(yùn)動(dòng)加速度徑向分量，此兩項(xiàng)量階很小，一般可略去不計(jì)。第四項(xiàng)為葉片與氣流作用力在徑向的分量。對(duì)于常規(guī)的直葉片和扭葉片，葉片力趨于零。葉片周向彎曲以后，葉片表面與氣流的作用力在徑向的分力不等于零，從而控制了壓力沿葉高的分布，使得在葉片表面，尤其是吸力面上形成了兩端壓力高，中間壓力低的靜壓分布，即“C”型壓力分布，如下圖所示。

2.2 對(duì)徑向二次流動(dòng)的影響

決定葉片吸力面和壓力面上的二次流的是這些表面上的靜壓分布。在直葉片和扭葉片中存在較大的正壓力梯度，所以沿葉片吸力面從頂部至根部做徑向運(yùn)動(dòng)的附面層與在下端壁從壓力面至吸力面做橫向運(yùn)動(dòng)的附面層在吸力面與下端壁形成的角隅相遇，使這個(gè)角隅內(nèi)的邊界層堆積和增厚。這些低能流體在出口擴(kuò)壓段可能出現(xiàn)分離，損失急劇增加。采用彎曲葉片，可以獲得吸力面和壓力面沿葉高的C型壓力分布。在它的作用下，兩端附面層被吸到中部并被主流帶走，這樣就減少了低能流體在兩端壁與吸力面組成的角隅處的堆積，避免了分離的發(fā)生，因而兩端部的損失下降。特別是對(duì)短葉片級(jí)，由于徑向壓力梯度不大，端壁附面層損失在損失中所占的比重很大，采用彎葉片效果尤為明顯。

2.3 對(duì)橫向二次流動(dòng)的影響

采用彎曲葉片對(duì)壓力面和吸力面之間的壓差也有顯著的影響。在兩端，彎葉片壓力面和吸力面的壓差明顯小于常規(guī)葉片。這表明，在端壁上的橫向二次流減弱，相應(yīng)的橫向二次流損失下降。在葉柵中部，彎葉片與常規(guī)葉片比較，這個(gè)壓差增加了。所以葉柵中部的負(fù)荷增加了。

2.4 彎扭葉片改善級(jí)反動(dòng)度和提高級(jí)通流能力

彎扭葉片能夠改變級(jí)的反動(dòng)度沿葉片高度的分布，使根部的反動(dòng)度提高，頂部的反動(dòng)度降低。這對(duì)細(xì)長(zhǎng)葉片（小徑高比）特別是透平末級(jí)的流動(dòng)極為有利。常規(guī)葉柵的正壓力梯度使根部的靜壓過低導(dǎo)致了負(fù)反動(dòng)度的出現(xiàn)，使動(dòng)葉流道內(nèi)根部附近的流動(dòng)產(chǎn)生分離和阻塞，使級(jí)的性能變壞。采用彎葉片后，使反動(dòng)度沿葉高的分布得到均化，提高根部的通流能力，從而提高整級(jí)的通流能力，并有利于減少端部損失。下圖是采用了葉片向周向正傾斜和沿徑向扭曲的聯(lián)合氣動(dòng)成型 ，重新設(shè)計(jì)了導(dǎo)向葉片的的末級(jí)葉片的模型級(jí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2.5 彎葉片對(duì)渦系結(jié)構(gòu)的影響

由于葉片力的影響和沿葉高的C型壓力分布，使得葉片兩端的負(fù)荷低，中部負(fù)荷高；同時(shí)，兩端附面層向中部的遷移和橫向二次流的減弱，使吸力面角區(qū)的低能流體堆積減弱，并且馬蹄渦在前緣形成的壓力面分支和吸力面分支在吸力面角區(qū)的交匯點(diǎn)向下游移動(dòng)。因此，采用彎葉片能推遲通道渦形成時(shí)間和減小通道渦的尺寸和強(qiáng)度。這在諸多的實(shí)驗(yàn)中已得到充分證實(shí)。

3 彎扭葉片在工程實(shí)踐中的應(yīng)用

彎扭葉片現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用于透平機(jī)械中，特別是以作為發(fā)電設(shè)備的汽輪機(jī)為主。1991年西門子公司開始采用彎扭葉片對(duì)過去生產(chǎn)的汽輪機(jī)末級(jí)隔板進(jìn)行改進(jìn)，不僅延長(zhǎng)了設(shè)備壽命，而且使效率有較大的提高。ABB公司為了提高汽輪機(jī)效率在汽輪機(jī)次末級(jí)和末級(jí)葉片也開始采用全三維葉片。日本三菱重工生產(chǎn)的700MW蒸汽輪機(jī)高、中壓缸的反動(dòng)式葉片采用考慮了體積力的用全三維設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的三維葉片，即彎曲葉片。三菱重工將上述設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的葉片在?；?.5的三級(jí)模型透平上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明與原型相比彎曲葉片動(dòng)、靜葉中的二次流損失都有較大的降低。在設(shè)計(jì)工況下比二維設(shè)計(jì)葉片的級(jí)效率提高了4%。英國的GEC公司對(duì)其生產(chǎn)的已投入運(yùn)行的660MW和500 MW火力發(fā)電機(jī)組蒸汽輪機(jī)低壓缸氣動(dòng)實(shí)驗(yàn)表明，末級(jí)和次末級(jí)出口根部流動(dòng)惡化，根部低的質(zhì)量流率和高的出口氣流角使得那里的效率較低。GEC公司采用了將末級(jí)靜葉沿周向正傾斜并加以扭曲的成型方法。模型實(shí)驗(yàn)表明，新型葉片的采用提高了根部反動(dòng)度，由原來的-20%提高到30%，從而降低了動(dòng)葉根部進(jìn)口馬赫數(shù)，減小了根部激波損失及頂部動(dòng)葉間隙的漏氣損失。由于新型葉片具有這些好處，所以GEC公司已將它應(yīng)用于660 MW和500 MW機(jī)組的改型中。

彎扭葉片在國內(nèi)的應(yīng)用也取得了明顯的效果。在哈爾濱汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的300MW及600MW汽輪機(jī)低壓缸末級(jí)、次末級(jí)及調(diào)節(jié)級(jí)以及20萬千瓦的高壓缸共八級(jí)和低壓缸末級(jí)的改型設(shè)計(jì)中都應(yīng)用了彎扭葉片，改型后的機(jī)組在實(shí)際運(yùn)行中取得良好的效果。在國內(nèi)電廠老機(jī)組的通流改造中，都采用了彎扭葉片技術(shù)，提高了機(jī)組的發(fā)電效率，取得了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

此外，彎曲葉片在壓氣機(jī)中也已進(jìn)入了實(shí)質(zhì)應(yīng)用階段。美國GE公司的E3發(fā)動(dòng)機(jī)、普惠公司的PW4084發(fā)動(dòng)機(jī)及英、美、日、德、意五國聯(lián)合研制的V2500發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)中均應(yīng)用了彎曲葉片，使發(fā)動(dòng)機(jī)的性能得到了很好的提高。

[1]王仲奇.韓萬今.徐文遠(yuǎn).才大穎.白杰.在二維渦輪葉柵中葉片傾斜對(duì)控制二次流損失機(jī)理的探討[J].中國工程熱物理學(xué)會(huì)熱機(jī)氣動(dòng)熱力學(xué)會(huì)議.No 872064，1987.

[2]肖柳.系列化發(fā)展的PW4084型發(fā)動(dòng)機(jī)[J].國際航空.1992.（6）：50-52.

[3]橫跨三大洲的國際合作計(jì)劃－V2500渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)[J].國外航空技術(shù).發(fā)動(dòng)機(jī).1986.(1)：23-29.