[发明专利]一种基于汽轮机叶型改造的仿生叶片及设计方法

说明书

本发明公开一种基于汽轮机叶型改造的仿生叶片及设计方法，首先根据流场分布在叶片前缘控制线附近的背压面以正弦规律设有多个平滑凸起，确定每个平滑凸起的中心点与前缘控制线的距离为P_i，每个平滑凸起的表面采用光滑曲面，该叶片叶高为H₀、叶根处轴向弦长为C₀，叶片背压面弧长为L_S，每个平滑凸起的大小由波长W、振幅A、振幅角度D、左宽L和右宽R五个参数采用正交实验设计，获取最佳值区间；根据每个平滑凸起的起点、终点、左右宽点及定点分别确定经过凸起最高点的曲线a、经过左宽的曲线b和经过右宽的曲线c，依次扫略曲线b、a、c，即为平滑凸起。本发明可以显著提高叶片做工能力，降低研发成本，缩短研发周期。

技术领域

本发明属于大型动力设备的自主设计和制造领域，涉及一种对电力装备运行稳定性和节能减排具有直接作用的电厂汽轮机叶型改造。具体而言，涉及一种基于汽轮机叶型改造的仿生叶片及设计方法，用于提高汽轮机动叶片做功能力的叶型仿生改造。

背景技术

作为电厂发电的核心设备之一，汽轮机的性能对电厂的经济性和安全性有重要的影响。在国家深入调整能源结构的背景下，汽轮机所承担的调峰任务更为繁重，因此汽轮机的性能，尤其是变工况时的性能对电厂的高效灵活运行有重大的意义。在汽轮机启停和参与深度调峰过程中，不可避免将运行于小流量工况，此时，汽轮机末几级可能发生失速颤振，严重影响汽轮机的稳定性和做功能力。因此，基于现有汽轮机叶片叶型，通过仿生化改型设计，是提升汽轮机低负荷下灵活性的有效手段，同时可以提高汽轮机做功能力，更对我国大型动力设备的自主设计和制造能力具有重要的现实意义。

实际上，对透平叶片的仿生化改型设计正在成为研究热点，模仿座头鲸鱼鳍的仿生波浪前缘叶型正逐步应用于潮汐涡轮、船舶甚或飞机机翼等领域，并具有良好的应用效果。Fish与Battle首先绘制了座头鲸鳍肢横截面，发现其截面与NACA634-021颇为相似，随后开始以座头鲸鱼鳍翼型为基础的波浪前缘叶型二维研究工作。接着，基于叶高方向周期性边界假设，Fish与Watts对波浪前缘翼型进行了数值模拟，发现其在大攻角条件下具有显著的增升减阻效果；A.Asghar等将波浪前缘翼型应用到低压透平叶片中，并且通过数值模拟及实验方法进行了研究，发现波浪前缘能够延缓叶片吸力面上气流分离的发生。Bouchard D等利用实验和数值方法研究了变冲角条件下仿生波浪前缘超音速透平叶片的性能表现，发现其有利于控制正攻角条件下的流动损失。上述研究均表明，位于前缘的凸起实际上在优化各类叶片时承担了涡流发生器的作用。另外，座头鲸头部的鼓包状凸起结构对降低流动阻力有较好的效果，能够有效降低流动阻力，考虑到汽轮机长叶片级中的流场特性，采用偏向背压面的仿生化凸起结构在汽轮机原叶型的基础上进行改进。这类改型具有对原叶型改进较小、便于设计与制造等优点。但是目前尚未有将这种结构应用于汽轮机叶片的仿生优化设计。

发明内容

针对上述背景现状，本发明的目的是基于某核电低压末级动叶叶型，应用仿生学原理，提供一种对现有汽轮机叶型进行仿生改进的方法，设计一种仿生叶型，即通过降低叶片背压面的整体压力，达到提升汽轮机在小流量工况下的做功能力的目的。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于汽轮机叶型改造的仿生叶片，其特征在于：在叶片前缘控制线附近的背压面以正弦规律设有多个平滑凸起，每个平滑凸起的中心点与前缘控制线的距离为P_i，每个平滑凸起的表面采用光滑曲面，该叶片叶高为H₀、叶根处轴向弦长为C₀，叶片背压面弧长为L_S，其中，所述多个平滑凸起分布于于自叶顶往下3.5％H₀至35.5％H₀的叶高段位置，平滑凸起的中心点与前缘控制线的距离为P_i满足8％L_S≤P_i≤22％L_S，每个平滑凸起的大小由波长W、振幅A、左宽L和右宽R这四个因素决定，平滑凸起的表面采用光滑曲面。