一种适用于深度调峰的叶片倒角与端壁设计方法与流程

1.本发明属于汽轮机技术领域，具体涉及一种适用于深度调峰的叶片倒角与端壁设计方法。


背景技术：

2.新能源(风能、太阳能等)的能量供应受周边实际环境与气候影响较大，其在不同时刻具有较大的波动情况，为了维持电网的稳定，需要火电参与深度调峰工作，通过调节火电的发电功率来适应新能源电力的波峰与波谷值。然而，火电参与深度调峰工作导致汽轮机的运行工况与设计工况发生较大的偏离，并且需要频繁启动与停止，造成气动负荷与部件热负荷的强烈频繁波动，造成部件更容易产生实效等一系列安全问题。在传统透平叶片倒角与端壁结构设计中，主要在设计工况下所开展，其在深度调峰状态下的运行特性与安全性尚不明晰。


技术实现要素：

3.为了克服上述传统透平叶片倒角与端壁结构设计方法在深度调峰条件下的不足，本发明的目的在于提供一种适用于深度调峰的叶片倒角与端壁设计方法，在前缘、中部及尾缘位置设置不同半径的倒角结构，同时调整端壁的厚度及倾斜角，考虑叶片与端壁的整体强度、振动模态与颤振情况，开展透平深度调峰运行工况下的叶片倒角与端壁设计，以增强叶片与端壁在深度调峰工况下的安全稳定性。
4.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
5.一种适用于深度调峰的叶片倒角与端壁设计方法，包括以下步骤：
6.步骤1：输入叶片型线、端壁造型和叶根和轮盘形状模型参数，利用商业软件ug分别生成叶片装配件和轮盘的三维几何模型，并依据其实际运行情况进行装配；
7.步骤2：确定倒角半径，其中倒角半径指叶片与端壁之间加工过程中所存在的过渡圆几何形状的半径；
8.步骤3：确定端壁平台厚度d及倾斜角α；
9.步骤4：生成叶片装配件固体域的有限元网格；将步骤1所生成叶片及轮盘几何模型导入商业软件ansys mechanical中，生成固体域的有限元分析网格；
10.步骤5：叶片与端壁的强度校核及振动模态分析；分别输入叶片及轮盘的物理性质参数，输入叶片与端壁的初始温度，采用步骤4所生成的叶片与轮盘的固体域的有限元网格，采用商业软件ansys mechanical，在20％-30％设计流量负荷的深度调峰工况下，在静止状态、额定转速、95％额定转速和105％额定转速下，分别开展叶片的应力分析和振动模态分析，获得叶片装配件的应力分布、最大应力值及其位置，获得叶片的1-8阶振型与振动频率；
11.步骤6：生成叶栅流体域网格；
12.步骤7：叶片颤振分析；将步骤6所生成叶栅流体域网格通过cfx5格式导入商业软
件ansys cfx中，同时将步骤5所获得的叶片1阶和2阶振型通过csv格式导入软件ansys cfx中；依据所导入叶片的振型与振动频率进行中间流道的叶片表面的动网格边界条件设置；采用求解三维雷诺时均n-s方程的方法，在20％-30％设计流量负荷的深度调峰工况下，对叶栅流动进行非定常数值计算，时间步长选为叶片振动周期的1/25-1/30；随后开展中间流道叶片的颤振分析，对流体激振力对叶片在一个振动周期内的做功进行积分，获得一个周期内叶栅气流对叶片的做功值；
13.步骤8：校核叶片与端壁强度及颤振情况。
14.本发明进一步的改进在于，所述步骤2，前缘、中部和尾缘分别采用不同半径。
15.本发明进一步的改进在于，前缘倒角半径5-8mm；叶片中部的压力侧及吸力侧角区的倒角半径3-8mm；尾缘的倒角半径为3-5mm。
16.本发明进一步的改进在于，所述步骤3，端壁平台厚度为叶片高度的2％-3％。
17.本发明进一步的改进在于，所述步骤3，端壁平台倾斜角指同一周向位置的端壁前缘和尾缘边沿的连线与轴线的夹角。
18.本发明进一步的改进在于，端壁平台倾斜角为-5
°‑5°
，以使得叶栅内近端壁的流体进一步加速。
19.本发明进一步的改进在于，所述步骤6，选取3个旋转周期，生成相应以叶片、端壁与周期面为边界的叶栅流体域的六面体结构化网格。
20.本发明进一步的改进在于，所述步骤8，叶片安全性判断条件为：
21.叶片与端壁的最高离心应力小于材料持久强度的90％；
22.一个振动周期内气流对叶片做功小于0；
23.振动频率不在f＝k
×
n的
±
5％范围内。
24.与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：
25.本发明提供的适用于深度调峰的叶片倒角与端壁设计方法，通过在前缘、中部及尾缘位置设置不同半径的倒角结构，同时调整端壁的厚度及倾斜角，考虑叶片与端壁的整体强度、振动模态与颤振情况，实现了深度调峰状态下叶片与端壁应力的合理分配，通过改变叶片振动形态降低了叶片颤振，增强了叶片与端壁在深度调峰工况下的安全稳定性。
附图说明
26.图1为叶片倒角与端壁的设计方法图；
27.图2为叶片与端壁几何模型示意图；
28.图3为端壁平台几何模型示意图。
29.附图标记说明：
30.1-叶片，2-端壁，3-叶根，4-前缘倒角，5-中部倒角，6-尾缘倒角。
具体实施方式
31.下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及
实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
32.本实施例的详细过程包含如下步骤：
33.步骤1：根据所需进行计算分析的研究对象，叶片型线、端壁造型和叶根、轮盘形状等表征叶片及其装配件的基本几何形状的模型参数由所确定的研究对象获得，并手动输入至商业软件ug，分别生成叶片装配件和轮盘的三维几何模型，并依据其实际运行情况中的接触类型进行装配。
34.本实施例中，叶根接触类型为面接触，叶根形状为菌型叶根，叶片的基本几何参数见表1。
35.表1几何参数
36.名称值弦长(c)41.3mm轴向弦长(c
ax
)32.6mm叶片高度(s)145mm叶栅节距(p)97.3mm整周叶片数124片
37.步骤2：确定倒角半径。倒角半径指叶片与端壁之间加工过程中所存在的过渡圆几何形状的半径。优选地，前缘、中部和尾缘分别采用不同半径。其中，前缘倒角半径5-8mm；叶片中部的压力侧及吸力侧角区的倒角半径3-8mm；尾缘的倒角半径为3-5mm。
38.本实施例中，前缘、中部和尾缘倒角首先确定为可选范围的中位数，分别选为6.5mm、5.5mm和4.0mm。
39.步骤3：确定端壁平台厚度d及倾斜角α。优选地，端壁平台厚度为叶片高度的2％-3％。端壁平台倾斜角指同一周向位置的端壁前缘和尾缘边沿的连线与轴线的夹角。优选地，端壁平台倾斜角为0
°‑5°
，以使得叶栅内近端壁的流体进一步加速。可选地，端壁平台倾斜角为-5
°‑0°
。
40.本实施例中，端壁平台厚度确定为叶片高度的3％，即为4.35mm；端壁平台倾斜角确定为1
°
。
41.步骤4：生成叶片装配件固体域的有限元网格。将步骤1中由那件ug所生成叶片及轮盘几何模型分别导入商业软件ansys mechanical中，针对所输入的叶片装配件的叶片与叶根等基本几何参数，以及叶片倒角和叶根参数，生成固体域的有限元分析网格。
42.本实施例中，所生成固体域的网格节点总数为89302个。
43.步骤5：叶片与端壁的强度校核及振动模态分析。分别输入叶片及轮盘的物理性质参数，输入叶片与端壁的初始温度，采用步骤4所生成的叶片与轮盘的固体域的有限元网格，采用商业软件ansys mechanical，在20％-30％设计流量负荷的深度调峰工况下，在静止状态、额定转速、95％额定转速和105％额定转速下，分别开展叶片的应力分析和振动模态分析，获得叶片装配件的应力分布、最大应力值及其位置，获得叶片的1-8阶振型与振动频率。
44.本实施例中，有限元计算的转速边界条件设置为3000rpm，按照与步骤1中相同的条件设置接触类型边界条件，叶片与端壁的材料为1cr13，叶片初始温度为620k，叶片初始压力为7.16mpa。计算得到叶片与端壁最大应力为362mpa，叶片的振动频率见表2。
45.表2叶片动频
46.阶数频率(hz)19902127631591435365370763826
47.步骤6：生成叶栅流体域网格。将步骤1所生成叶片、端壁与叶根的几何模型导入商业软件icem cfd中，选取3个旋转周期，生成相应以叶片、端壁与周期面为边界的叶栅流体域的六面体结构化网格。
48.本实施例中，网格节点总数为582万。
49.步骤7：叶片颤振分析。将步骤6所生成叶栅流体域网格通过cfx5格式导入商业软件ansys cfx中，同时将步骤5所获得的叶片1阶和2阶振型通过csv格式导入软件ansys cfx中；依据所导入叶片的振型与振动频率进行中间流道的叶片表面的动网格边界条件设置；采用求解三维雷诺时均n-s方程的方法，在20％-30％设计流量负荷的深度调峰工况下，对叶栅流动进行非定常数值计算，优选地，时间步长选为叶片振动周期的1/25-1/30；随后开展中间流道叶片的颤振分析，对流体激振力对叶片在一个振动周期内的做功进行积分，获得一个周期内叶栅气流对叶片的做功值。
50.本实施例中，计算流体动力学数值计算的湍流模型为标准k-ε模型，进口压力温度分别为620k和7.16mpa，时间步为振动周期的1/25。计算得到气流对叶片在一个振动周期内的做功为-0.28j。
51.步骤8：校核叶片与端壁强度及颤振情况。
52.重复步骤2-8，直至满足如下要求：
53.1)叶片与端壁的最高离心应力小于材料持久强度的90％；
54.2)一个振动周期内气流对叶片做功小于0；
55.3)振动频率不在以下值的
±
5％范围内：f＝k
×
n。
56.式中，f为叶片动频率；k为激振力谐波阶次，n为转速。
57.本实施例中，叶片与端壁最大应力为362mpa，小于材料持久强度的90％；叶片在一个振动周期内的做功为-0.28j，该值小于0；振动频率与k
×
n具有较大的安全距离。因此，设计满足要求。
58.虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

技术特征：
1.一种适用于深度调峰的叶片倒角与端壁设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：输入叶片型线、端壁造型和叶根和轮盘形状模型参数，利用商业软件ug分别生成叶片装配件和轮盘的三维几何模型，并依据其实际运行情况进行装配；步骤2：确定倒角半径，其中倒角半径指叶片与端壁之间加工过程中所存在的过渡圆几何形状的半径；步骤3：确定端壁平台厚度d及倾斜角α；步骤4：生成叶片装配件固体域的有限元网格；将步骤1所生成叶片及轮盘几何模型导入商业软件ansys mechanical中，生成固体域的有限元分析网格；步骤5：叶片与端壁的强度校核及振动模态分析；分别输入叶片及轮盘的物理性质参数，输入叶片与端壁的初始温度，采用步骤4所生成的叶片与轮盘的固体域的有限元网格，采用商业软件ansys mechanical，在20％-30％设计流量负荷的深度调峰工况下，在静止状态、额定转速、95％额定转速和105％额定转速下，分别开展叶片的应力分析和振动模态分析，获得叶片装配件的应力分布、最大应力值及其位置，获得叶片的1-8阶振型与振动频率；步骤6：生成叶栅流体域网格；步骤7：叶片颤振分析；将步骤6所生成叶栅流体域网格通过cfx5格式导入商业软件ansys cfx中，同时将步骤5所获得的叶片1阶和2阶振型通过csv格式导入软件ansys cfx中；依据所导入叶片的振型与振动频率进行中间流道的叶片表面的动网格边界条件设置；采用求解三维雷诺时均n-s方程的方法，在20％-30％设计流量负荷的深度调峰工况下，对叶栅流动进行非定常数值计算，时间步长选为叶片振动周期的1/25-1/30；随后开展中间流道叶片的颤振分析，对流体激振力对叶片在一个振动周期内的做功进行积分，获得一个周期内叶栅气流对叶片的做功值；步骤8：校核叶片与端壁强度及颤振情况。2.根据权利要求1所述的一种适用于深度调峰的叶片倒角与端壁设计方法，其特征在于，所述步骤2，前缘、中部和尾缘分别采用不同半径。3.根据权利要求2所述的一种适用于深度调峰的叶片倒角与端壁设计方法，其特征在于，前缘倒角半径5-8mm；叶片中部的压力侧及吸力侧角区的倒角半径3-8mm；尾缘的倒角半径为3-5mm。4.根据权利要求1所述的一种适用于深度调峰的叶片倒角与端壁设计方法，其特征在于，所述步骤3，端壁平台厚度为叶片高度的2％-3％。5.根据权利要求1所述的一种适用于深度调峰的叶片倒角与端壁设计方法，其特征在于，所述步骤3，端壁平台倾斜角指同一周向位置的端壁前缘和尾缘边沿的连线与轴线的夹角。6.根据权利要求5所述的一种适用于深度调峰的叶片倒角与端壁设计方法，其特征在于，端壁平台倾斜角为-5
°‑5°
，以使得叶栅内近端壁的流体进一步加速。7.根据权利要求1所述的一种适用于深度调峰的叶片倒角与端壁设计方法，其特征在于，所述步骤6，选取3个旋转周期，生成相应以叶片、端壁与周期面为边界的叶栅流体域的六面体结构化网格。8.根据权利要求1所述的一种适用于深度调峰的叶片倒角与端壁设计方法，其特征在于，所述步骤8，叶片安全性判断条件为：
叶片与端壁的最高离心应力小于材料持久强度的90％；一个振动周期内气流对叶片做功小于0；振动频率不在f＝k
×
n的
±
5％范围内。

技术总结
本发明公开了一种适用于深度调峰的叶片倒角与端壁设计方法，属于汽轮机技术领域。该方法在前缘、中部及尾缘位置设置不同半径的倒角结构，同时调整端壁的厚度及倾斜角，考虑叶片与端壁的整体强度、振动模态与颤振情况，开展透平深度调峰运行工况下的叶片倒角与端壁设计并进行校核，实现了深度调峰状态下叶片与端壁应力的合理分配，通过改变叶片振动形态降低了叶片颤振，增强了叶片与端壁在深度调峰工况下的安全稳定性。况下的安全稳定性。况下的安全稳定性。


技术研发人员：张永海 马汀山 居文平 谷伟伟 屈杰 高庆 高登攀 朱蓬勃 张垲恒
受保护的技术使用者：西安西热节能技术有限公司
技术研发日：2023.03.07
技术公布日：2023/5/16