淺談彎扭葉片的作用機理及實踐應用

葛臣忠

（哈爾濱三維汽輪機葉片有限公司，黑龍江 哈爾濱 150040）

自上世紀60年代初提出采用彎扭葉片改善氣動性能的思想以來，隨著研究的深入，理論進一步完善。彎曲葉片能有效地控制渦輪葉柵內部二次流動，大大改善級的特性；同時能夠提高根部反動度，降低頂部反動度，達到均化反動度沿葉高分布的目的，這對于改善蒸汽透平末幾級中根部和頂部反動度差別大和根部的負反動度極為有利，從而改善整個級的氣動性能。

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 彎扭葉片的作用機理

2.1 對靜壓分布的影響

由徑向平衡方程

可以看出：上式中等號左端的徑向壓力梯度由右端的四項決定。右端第一項為離心力項，恒為正值。第二項為在子午面內由流線曲率造成的離心力在徑向分量，第三項為流體的運動加速度徑向分量，此兩項量階很小，一般可略去不計。第四項為葉片與氣流作用力在徑向的分量。對于常規的直葉片和扭葉片，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 對徑向二次流動的影響

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動的附面層與在下端壁從壓力面至吸力面做橫向運動的附面層在吸力面與下端壁形成的角隅相遇，使這個角隅內的邊界層堆積和增厚。這些低能流體在出口擴壓段可能出現分離，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，避免了分離的發生，因而兩端部的損失下降。特別是對短葉片級，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 對橫向二次流動的影響

采用彎曲葉片對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葉片。這表明，在端壁上的橫向二次流減弱，相應的橫向二次流損失下降。在葉柵中部，彎葉片與常規葉片比較，這個壓差增加了。所以葉柵中部的負荷增加了。

2.4 彎扭葉片改善級反動度和提高級通流能力

彎扭葉片能夠改變級的反動度沿葉片高度的分布，使根部的反動度提高，頂部的反動度降低。這對細長葉片（小徑高比）特別是透平末級的流動極為有利。常規葉柵的正壓力梯度使根部的靜壓過低導致了負反動度的出現，使動葉流道內根部附近的流動產生分離和阻塞，使級的性能變壞。采用彎葉片后，使反動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合氣動成型 ，重新設計了導向葉片的的末級葉片的模型級的實驗結果。

2.5 彎葉片對渦系結構的影響

由于葉片力的影響和沿葉高的C型壓力分布，使得葉片兩端的負荷低，中部負荷高；同時，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的交匯點向下游移動。因此，采用彎葉片能推遲通道渦形成時間和減小通道渦的尺寸和強度。這在諸多的實驗中已得到充分證實。

3 彎扭葉片在工程實踐中的應用

彎扭葉片現在已經廣泛應用于透平機械中，特別是以作為發電設備的汽輪機為主。1991年西門子公司開始采用彎扭葉片對過去生產的汽輪機末級隔板進行改進，不僅延長了設備壽命，而且使效率有較大的提高。ABB公司為了提高汽輪機效率在汽輪機次末級和末級葉片也開始采用全三維葉片。日本三菱重工生產的700MW蒸汽輪機高、中壓缸的反動式葉片采用考慮了體積力的用全三維設計方法設計的三維葉片，即彎曲葉片。三菱重工將上述設計方法設計的葉片在模化比0.5的三級模型透平上進行了實驗，結果表明與原型相比彎曲葉片動、靜葉中的二次流損失都有較大的降低。在設計工況下比二維設計葉片的級效率提高了4%。英國的GEC公司對其生產的已投入運行的660MW和500 MW火力發電機組蒸汽輪機低壓缸氣動實驗表明，末級和次末級出口根部流動惡化，根部低的質量流率和高的出口氣流角使得那里的效率較低。GEC公司采用了將末級靜葉沿周向正傾斜并加以扭曲的成型方法。模型實驗表明，新型葉片的采用提高了根部反動度，由原來的-20%提高到30%，從而降低了動葉根部進口馬赫數，減小了根部激波損失及頂部動葉間隙的漏氣損失。由于新型葉片具有這些好處，所以GEC公司已將它應用于660 MW和500 MW機組的改型中。

彎扭葉片在國內的應用也取得了明顯的效果。在哈爾濱汽輪機廠生產的300MW及600MW汽輪機低壓缸末級、次末級及調節級以及20萬千瓦的高壓缸共八級和低壓缸末級的改型設計中都應用了彎扭葉片，改型后的機組在實際運行中取得良好的效果。在國內電廠老機組的通流改造中，都采用了彎扭葉片技術，提高了機組的發電效率，取得了可觀的經濟效益。

此外，彎曲葉片在壓氣機中也已進入了實質應用階段。美國GE公司的E3發動機、普惠公司的PW4084發動機及英、美、日、德、意五國聯合研制的V2500發動機的壓氣機中均應用了彎曲葉片，使發動機的性能得到了很好的提高。

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