CN101349168A - 空冷汽轮机末级动叶片 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种空冷汽轮机末级动叶片，特征是叶片有效高度为661mm，叶高Ld的相对值由0.0单调增加到1.0，安装角c1由85.13°单调减小到20.03°；从根截面到顶截面的面积A_I变化规律为：3.82≥A_I≥1.0，从根截面到顶截面的轴向宽度Xa变化规律为：4.749≥Xa≥1.0，从根截面到顶截面的弦长b1变化规律为：1.627≥b1≥1.0，从根截面到顶截面的最大厚度W1变化规律为：1.748≥W1≥1.0。本发明适用于功率300MW～600MW，转速3000rpm的亚临界、超临界空冷汽轮机。

Description

空冷汽轮机末级动叶片

技术领域

本发明涉及汽轮机的动叶片，适用于功率300MW～600MW，转速3000rpm的亚临界、超临界空冷汽轮机。

背景技术

空冷汽轮机是一种特殊的蒸汽轮机，特殊性表现在：它经常处于高背压小容积流量工况运行，且背压变化范围大、变化频繁，这些运行条件极大地限制了末级叶片的设计。且空冷汽轮机的经济性与安全性在很大程度上与低压末级的热力、气动、强度、振动设计密切相关，其中尤以低压末级设计难度最大，必须统筹兼顾，进行繁杂的多因素约束条件下的方案优选，才能设计出高性能的末级叶片。

世界上各大汽轮机厂家均拥有自己风格的适合于大容量空冷机的末级叶片。如：KWU公司在Kendal电厂已成功投运了间冷686MW空冷汽轮机，该机末级叶片高668mm，圆弧枞树型叶根，型根宽230mm，自由叶片；MAN公司在MATINBA电厂已成功投运了直冷665MW空冷汽轮机，该机末级叶片高662mm，型根宽200mm，自带一道翼型式阻尼拉筋，无围带。国内上汽厂在伊朗325MW空冷汽轮机中推出了540mm末级叶片；哈汽厂在大同空冷600MW工程中推出了620mm末级叶片，根径1700mm，排气环形面积4.52m²，该末级叶片为阻尼式自带围带，一道松拉筋。

上述叶片属于第一代空冷末级叶片，结构落后，叶片的动应力高，机组经济性较差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，是提供一种结构合理，动应力低，适用于300MW、600MW等级的空冷汽轮机末级动叶片。

本发明所采用的技术方案是：

一种空冷汽轮机末级动叶片，具有叶身和叶根，所述叶身的顶部有围带，腰部有拉筋孔，叶根、叶身、围带是整体结构；其特征在于，所述叶身是由若干特征截面按一特定规律迭合而成的异形体，其有效高度为Ld＝661mm、根径为Dr＝1676.4mm；所述特征截面的轮廓型线是由内弧曲线和背弧曲线围成的封闭曲线，具有特征参数安装角c1、弦长b1、最大厚度w1、截面积A_I；截面的迭合规律是：沿叶高方向自根端向顶端，各截面连续光滑过渡；叶高Ld的相对值由0.0单调增加到1.0；与之相对应，安装角c1由85.13°单调减小到20.03°；从根截面到顶截面的面积A_I变化规律为：3.82≥A_I≥1.0，从根截面到顶截面的轴向宽度Xa变化规律为：4.749≥Xa≥1.0，从根截面到顶截面的弦长b1变化规律为：1.627≥b1≥1.0，从根截面到顶截面的最大厚度W1变化规律为：1.748≥W1≥1.0。

所述拉筋孔的直径Φ_d满足关系式：

10mm≤Φ_d≤20mm。

所述围带的工作面与X轴的夹角B1满足关系式：

A1＝T1·COSB1；10°≤B1≤50°。

所述叶根是7叉叶根。

本发明的技术效果：

在总结第一代空冷汽轮机末级叶片设计经验基础上，为满足市场对更大容量空冷机的需求，应用当代先进的设计技术，成功完成了适用于300MW、600MW等级的661mm空冷汽轮机末级叶片的设计。新开发的661mm空冷末级叶片具有较先进的结构型式一阻尼式自带围带，阻尼松拉筋，叶根采用大刚性的叉形叶根设计，使叶片的技术水平达到世界先进水平，具有较高的经济性和可靠性。它不但适用于四排汽600MW等级亚临界(或超临界)空冷汽轮机，而且可推广应用于两排汽300MW等级空冷汽轮机，具有广阔的市场应用前景。

附图说明

图1是本叶片的结构示意图

图2是叶身截面图

图3是拉筋结构示意图

图3’是图3的E-E(旋转)视图

图4是围带结构示意图

图5是叶片叶根安装示意图

图6是图5的B向视图

具体实施方式

参见图1、图2、图4：采用合适的合金钢叶片和转子材料，按本专利设计图制造的动叶片由4个部分组成，分别是：围带体1，阻尼拉筋孔2，叶身3，叶根4。各部分是用同一种高强度性能的合金钢整体地制造完成。叶片通过7叉叶根4安装在转轴外圆上的叶轮槽中，每圈轮槽安装94只叶片，当叶轮上一周的叶轮槽中均装上叶片后，就形成了大功率汽轮机的末级。对600MW等级的空冷汽轮机，每台机组需要正反共四级(4个排气口)，对300MW等级的空冷汽轮机，每台机组需要正反共2级(2个排气口)，具有这样大的排汽面积的汽轮机才能满足大容量，高经济性，高发电密度的要求。为发电厂节省大量的设备投资和维修费用，提高其经济效益。

本动叶片的设计载体选择空冷4F-600MW等级汽轮机，此机最适宜的设计背压为14.0Kpa，在此设计背压范围内，最终方案确定的末级动叶片气道高为661mm，根径Dr(1676.4mm)，其环形面积大于4.85m²，以此根径和叶高为基准设计完成了低压模块的通流。一般的设计原则是低压末三级作为一个积木块进行通流匹配设计，针对不同的机型，通过设计低压前几级，可以实现不同功率的低压通流模块。本次设计以4F-600MW等级汽轮机的整缸低压通流为设计对象，给定低压进口压力、焓值、流量和背压，在保证低压子午流道光顺的前提下，优化各级的焓降、速比和级内反动度匹配。

在整缸通流优化匹配的基础上，末级级内可控涡流型设计是一项复杂的多次循环设计过程。首先设计基本的静、动叶基型型线，按可控涡流型设计的沿叶高出气角分布，设计静、动叶的空间成型规律，再用全三维流场计算分析来优化级内流场，并进一步调整静、动叶的空间成型规律，以气动最优为设计目标。

本设计的变量定义：

Ld-叶身有效高度：叶身顶截面与叶身根截面之间的距离。

H-围带厚度。

LJ-拉筋孔高度：叶身根截面与拉筋孔中心的垂直距离。

Φd-筋孔的直径。

A1-围带工作面S1、P1之间的距离。

B1-围带工作面S1、P1与X轴的水平夹角。

T-节距：相邻两叶片同一高度截面在周向的安装距离。

b1-叶身截面弦向宽。

Xa-叶身根截面轴向宽度。

01-叶身根截面出口喉宽：出口边与相邻叶身截面背弧的最小距离。

α1-出口几何角：sin^-1(01/T)。

c1-叶型安装角：弦长线与周向(Y向)的夹角。

W-叶根轴向宽度。

(1)叶型设计，沿叶高若干个特征叶身截面的气动设计

参见图1、图2：采用专用的通流设计程序设计了本末级叶片沿叶高各截面的基本叶型要素及安装位置，沿叶高各基本叶型的特征是：气动特征为根部为亚音速叶型、中部为跨音速叶型、顶部为超音速叶型。基本叶型的横截面积沿高度单调减小，呈塔形变化，安装角c1由85.13°单调减小到20.03°；从根截面到顶截面的面积A_I变化规律为：3.82≥A_I≥1.0，从根截面到顶截面的轴向宽度Xa变化规律为：4.749≥Xa≥1.0，从根截面到顶截面的弦长b1变化规律为：1.627≥b1≥1.0，从根截面到顶截面的最大厚度W1变化规律为：1.748≥W1≥1.0。基本叶型沿高度单调扭转成型。基本叶型的出口几何角α1沿高度单调可控地减小。采用全三维气动分析程序分析并优化设计了各叶型截面沿叶高的成型规律，最终实现了本叶片级流场特性的优化。

动叶片顶截面以下的叶身部分设计了若干个典型截面型线，各典型截面之间的叶型采用型面光滑连接，高次样条插值求出。超音速叶型截面是叶型设计的重点和难点。为了协调强度和气动对叶型的制约，对叶型作了数次改进，最终基本实现了沿叶高等强度极限应力设计，同时满足叶根强度和叶片气动性能的要求。

动叶片流道中的流动特性复杂，沿叶高均存在从亚音速、跨音速、超音速流动变化，型线气动特性的优劣是叶片设计成功的关键要素之一。以气动性能最佳为目标，分别设计一套静、动叶基本型线，基本型线常常不能满足叶片的结构、强度、振动设计要求，在后续的叶片的结构、强度、振动设计时，可以对基型进行相似模化设计，这样不仅可满足结构、强度、振动设计要求，而且能保证气动性能基本不变。

在完成基本叶型之上，就须进行末级叶片的流型及三维气动分析研究。流型研究主要是在整缸(至少末三级)环境下，利用准三维方法来设计级的焓降、速比、反动度沿叶高分布等流型参数。在可控涡流型设计的基础上，对静动叶进行三维空间积迭设计。静叶主要采用切向和轴向复合弯扭成型，以最高效率为目标；动叶主要采用动态重心重合且通过辐射线的扭转成型设计，以叶片在工作状态时离心力产生的弯应力(对叶身和叶根)最小及最高效率为目标。如前所述，气动设计和叶片的结构、强度、振动设计相互耦合，有时是不可调和的，先进的末级长叶片设计就是要达到叶片的气动特性和结构、强度、振动特性的良好协调，使叶片具有高的可靠性和高经济性。因此叶片的三维气动设计一般要经过许多方案的逐步优化得到。

(2)大刚度7叉叶根结构设计

在额定转速3000RPM下，采用Cr-Mo-V马氏体钢制成的单只叶片的离心力较大，约1.6×10⁵kgf，由于空冷汽轮机末级动叶片负荷变化大，经过分析对比，最终采用了有较强承载能力的大刚度7叉叶根结构(见图5、图6)，该结构能满足叶片的安全性要求。本发明设计的叶根根径为Dr，叶根轴向宽度为W，与叶片根部截面轴向宽度Xa之间满足：W/Xa＝1.145，叶根节距为T，整级叶片数Zd，且满足：T＝л*D/Zd。

(3)大离心载荷下的叶身结构强度振动特性设计

在工作状态下，叶片各扭转变截面的离心力产生应力非常高，而且受力状态复杂，这对叶片的强度振动设计是一个极大的挑战。这一部分设计时，将受到下列因素的相互制约。

●叶片各截面型线的气动特性制约

●叶片和转子材料的强度极限制约

●叶片各截面的应力状态制约

●叶片振动调频特性制约

为克服上述主要的制约因素，保持各截面的应力水平基本相当，从而最大限度地应用材料的强度极限。在保持各截面的形状基本相似的前提下，来调整叶片的受力状态和振动特性，最终使各制约因素相互协调。采用了全三维气动和三维有限元强度弱藕合分析方法对本叶片进行了设计分析，最终优化设计了能满足气动特性和强度振动特性要求的叶身结构。叶身结构的强度特性为：叶身局部最大应力小于叶片材料的强度极限，局部最大应力与根截面平均应力之比小于2.3。

(4)大变形阻尼叶片的连接结构设计

由于在工作状态下，叶片中上部分的截面相对于静止状态时有较大的扭转变形，采用结构有限元分析方法优化设计了叶片的连接结构。其特征为：设计了在叶身3上高度为LJ的位置开一圆孔2的结构(其中0.5＜LJ/Ld＜0.75)，该圆孔2直径φ_d满足10mm＜φ_d＜20mm(见图1)，其是为放置一根半圆剖松拉筋结构(见图3、图3’)。本松拉筋结构的功能是在额定转速时增加叶片的阻尼，大幅度降低叶片动应力，同时提高叶片刚性。设计了与叶身3自成一体的围带结构(见图4)，其厚度为H(8mm＜H＜16mm)，自带围带结构在气动方面阻止了叶顶的横向窜流和径向流，在约转速N1转/分时，围带工作面(S1面)与相邻叶片围带工作面(P1面)接触，产生较大的压应力F1，围带工作面与X轴(轴向)的夹角B1满足关系式：A1＝T1*COSB1，10°≤B1≤50°，在叶片工作时增加叶片刚性，使静态下的自由叶片在额定转速时较大地限制了叶顶的扭转恢复，形成整圈约束结构，大幅度降低叶片动应力。连接结构的接触转速满足关系式：0≤N1≤2200转/分。工作面压应力满足关系式：0.0136＜F1≤0.054倍材料的强度极限。

Claims (4)

1.一种空冷汽轮机末级动叶片，具有叶身和叶根，所述叶身的顶部有围带，腰部有拉筋孔，叶根、叶身、围带是整体结构；其特征在于，所述叶身是由若干特征截面按一特定规律迭合而成的异形体，其有效高度为Ld＝661mm、根径为Dr＝1676.4mm；所述特征截面的轮廓型线是由内弧曲线和背弧曲线围成的封闭曲线，具有特征参数安装角c1、弦长b1、最大厚度w1、截面积A_I；截面的迭合规律是，沿叶高方向自根端向顶端，各截面连续光滑过渡；叶高Ld的相对值由0.0单调增加到1.0；与之相对应，安装角c1由85.13°单调减小到20.03°；从根截面到顶截面的面积A_I变化规律为：3.82≥A_I≥1.0，从根截面到顶截面的轴向宽度Xa变化规律为：4.749≥Xa≥1.0，从根截面到顶截面的弦长b1变化规律为：1.627≥b1≥1.0，从根截面到顶截面的最大厚度W1变化规律为：1.748≥W1≥1.0。

2.根据权利要求1所述的空冷汽轮机末级动叶片，其特征在于，所述拉筋孔的直径Φ_d满足关系式：

10mm≤Ф_d≤20mm。

3.根据权利要求1所述的空冷汽轮机末级动叶片，其特征在于，所述围带的工作面与X轴的夹角B1满足关系式：

A1＝T1·COSB1；10°≤B1≤50°。

4.根据权利要求1所述的空冷汽轮机末级动叶片，其特征在于：所述叶根是7叉叶根。

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