浅谈弯扭叶片的作用机理及实践应用

葛臣忠

（哈尔滨三维汽轮机叶片有限公司，黑龙江 哈尔滨 150040）

自上世纪60年代初提出采用弯扭叶片改善气动性能的思想以来，随着研究的深入，理论进一步完善。弯曲叶片能有效地控制涡轮叶栅内部二次流动，大大改善级的特性；同时能够提高根部反动度，降低顶部反动度，达到均化反动度沿叶高分布的目的，这对于改善蒸汽透平末几级中根部和顶部反动度差别大和根部的负反动度极为有利，从而改善整个级的气动性能。

1 弯扭叶片的定义

弯叶片是指叶片在成形过程中积迭线沿周向或弦法向方向弯曲，叶片形状对称于中径。正弯叶片是这样定义的，其吸力面与端壁的夹角是钝角，压力面与端壁的夹角是锐角。反弯叶片与之相反。扭叶片是沿叶高变角度弯曲。弯扭叶片是将弯与扭合理匹配。

2 弯扭叶片的作用机理

2.1 对静压分布的影响

由径向平衡方程

可以看出：上式中等号左端的径向压力梯度由右端的四项决定。右端第一项为离心力项，恒为正值。第二项为在子午面内由流线曲率造成的离心力在径向分量，第三项为流体的运动加速度径向分量，此两项量阶很小，一般可略去不计。第四项为叶片与气流作用力在径向的分量。对于常规的直叶片和扭叶片，叶片力趋于零。叶片周向弯曲以后，叶片表面与气流的作用力在径向的分力不等于零，从而控制了压力沿叶高的分布，使得在叶片表面，尤其是吸力面上形成了两端压力高，中间压力低的静压分布，即“C”型压力分布，如下图所示。

2.2 对径向二次流动的影响

决定叶片吸力面和压力面上的二次流的是这些表面上的静压分布。在直叶片和扭叶片中存在较大的正压力梯度，所以沿叶片吸力面从顶部至根部做径向运动的附面层与在下端壁从压力面至吸力面做横向运动的附面层在吸力面与下端壁形成的角隅相遇，使这个角隅内的边界层堆积和增厚。这些低能流体在出口扩压段可能出现分离，损失急剧增加。采用弯曲叶片，可以获得吸力面和压力面沿叶高的C型压力分布。在它的作用下，两端附面层被吸到中部并被主流带走，这样就减少了低能流体在两端壁与吸力面组成的角隅处的堆积，避免了分离的发生，因而两端部的损失下降。特别是对短叶片级，由于径向压力梯度不大，端壁附面层损失在损失中所占的比重很大，采用弯叶片效果尤为明显。

2.3 对横向二次流动的影响

采用弯曲叶片对压力面和吸力面之间的压差也有显著的影响。在两端，弯叶片压力面和吸力面的压差明显小于常规叶片。这表明，在端壁上的横向二次流减弱，相应的横向二次流损失下降。在叶栅中部，弯叶片与常规叶片比较，这个压差增加了。所以叶栅中部的负荷增加了。

2.4 弯扭叶片改善级反动度和提高级通流能力

弯扭叶片能够改变级的反动度沿叶片高度的分布，使根部的反动度提高，顶部的反动度降低。这对细长叶片（小径高比）特别是透平末级的流动极为有利。常规叶栅的正压力梯度使根部的静压过低导致了负反动度的出现，使动叶流道内根部附近的流动产生分离和阻塞，使级的性能变坏。采用弯叶片后，使反动度沿叶高的分布得到均化，提高根部的通流能力，从而提高整级的通流能力，并有利于减少端部损失。下图是采用了叶片向周向正倾斜和沿径向扭曲的联合气动成型 ，重新设计了导向叶片的的末级叶片的模型级的实验结果。

2.5 弯叶片对涡系结构的影响

由于叶片力的影响和沿叶高的C型压力分布，使得叶片两端的负荷低，中部负荷高；同时，两端附面层向中部的迁移和横向二次流的减弱，使吸力面角区的低能流体堆积减弱，并且马蹄涡在前缘形成的压力面分支和吸力面分支在吸力面角区的交汇点向下游移动。因此，采用弯叶片能推迟通道涡形成时间和减小通道涡的尺寸和强度。这在诸多的实验中已得到充分证实。

3 弯扭叶片在工程实践中的应用

弯扭叶片现在已经广泛应用于透平机械中，特别是以作为发电设备的汽轮机为主。1991年西门子公司开始采用弯扭叶片对过去生产的汽轮机末级隔板进行改进，不仅延长了设备寿命，而且使效率有较大的提高。ABB公司为了提高汽轮机效率在汽轮机次末级和末级叶片也开始采用全三维叶片。日本三菱重工生产的700MW蒸汽轮机高、中压缸的反动式叶片采用考虑了体积力的用全三维设计方法设计的三维叶片，即弯曲叶片。三菱重工将上述设计方法设计的叶片在模化比0.5的三级模型透平上进行了实验，结果表明与原型相比弯曲叶片动、静叶中的二次流损失都有较大的降低。在设计工况下比二维设计叶片的级效率提高了4%。英国的GEC公司对其生产的已投入运行的660MW和500 MW火力发电机组蒸汽轮机低压缸气动实验表明，末级和次末级出口根部流动恶化，根部低的质量流率和高的出口气流角使得那里的效率较低。GEC公司采用了将末级静叶沿周向正倾斜并加以扭曲的成型方法。模型实验表明，新型叶片的采用提高了根部反动度，由原来的-20%提高到30%，从而降低了动叶根部进口马赫数，减小了根部激波损失及顶部动叶间隙的漏气损失。由于新型叶片具有这些好处，所以GEC公司已将它应用于660 MW和500 MW机组的改型中。

弯扭叶片在国内的应用也取得了明显的效果。在哈尔滨汽轮机厂生产的300MW及600MW汽轮机低压缸末级、次末级及调节级以及20万千瓦的高压缸共八级和低压缸末级的改型设计中都应用了弯扭叶片，改型后的机组在实际运行中取得良好的效果。在国内电厂老机组的通流改造中，都采用了弯扭叶片技术，提高了机组的发电效率，取得了可观的经济效益。

此外，弯曲叶片在压气机中也已进入了实质应用阶段。美国GE公司的E3发动机、普惠公司的PW4084发动机及英、美、日、德、意五国联合研制的V2500发动机的压气机中均应用了弯曲叶片，使发动机的性能得到了很好的提高。

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