CN101725373A - 空冷汽轮机末级动叶片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空冷汽轮机末级动叶片，其有效高度为H＝770.0mm、根径为Dr＝1905mm；叶高的相对值由0.0单调增加到1.0；安装角c1由70.58°单调减小到13.67°；从根截面到顶截面的面积A变化规律为：4.68≥A≥1.0，从根截面到顶截面的轴向宽度Xa变化规律为：4.628≥Xa≥1.0，从根截面到顶截面的弦长b1变化规律为：1.612≥b1≥1.0，从根截面到顶截面的最大厚度W1变化规律为：2.214≥W1≥1.0。该末级动叶片适用于功率500MW～1000MW，转速3000rpm的亚临界、超临界、超超临界空冷汽轮机。

Description

空冷汽轮机末级动叶片

技术领域

本发明涉及空冷汽轮机的动叶片，尤其是适用于功率500MW～1000MW，转速3000rpm的亚临界、超临界、超超临界空冷汽轮机。。

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，其中尤以低压末级叶片设计难度最大，必须统筹兼顾，进行繁杂的多因素约束条件下的方案设计优选，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。如申请人早期申请的一种汽轮机末级动叶片(中国专利说明书CN101349168A)，适合于叶片有效高度大于1200mm，功率为600MW-1200MW，转速3000rpm的亚临界、超临界汽轮机。但对于叶片高度为770mm，功率为500MW-1000MW，转速3000rpm的亚临界、超临界、超超临界空冷汽轮机，现有叶片的动应力高，机组经济性较差。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种结构合理，动应力低，适用于500MW～1000MW等级的空冷汽轮机末级动叶片。

为了解决以上技术问题，本发明的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，腰部有凸台拉筋，叶根、叶身、凸台拉筋、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＝770.0mm、根径为Dr＝1905mm；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；叶高的相对值由0.0单调增加到1.0；与之相对应，安装角c1由70.58°单调减小到13.67°；从根截面到顶截面的面积A变化规律为：4.68≥A≥1.0，从根截面到顶截面的轴向宽度Xa变化规律为：4.628≥Xa≥1.0，从根截面到顶截面的弦长b1变化规律为：1.612≤b1≥1.0，从根截面到顶截面的最大厚度W1变化规律为：2.214≥W1≥1.0。

所述凸台拉筋截面为椭圆形，其厚度B满足关系式：20mm≤B≤30mm；

所述凸台拉筋的工作面与X轴的夹角B2满足关系式：

A2＝T2·COSB2；55°≤B2≤75°。

所述凸台拉筋的高度Lj满足关系式：

0.5＜Lj/H＜0.75

所述围带的工作面与X轴的夹角B1满足关系式：

A1＝T1·COSB1；30°≤B1≤50°。

所述叶根是4齿直线形枞树型叶根。

本发明的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。叶身沿叶高方向气动特征为：根部为亚音速叶型、中部为跨音速叶型、顶部为超音速叶型。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，通过对叶型参数的优化改进，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。凸台拉筋结构的参数设计使叶片在额定转速时工作面接触形成合适的压应力，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。围带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。

本发明的空冷末级叶片采用较先进的结构型式-阻尼式自带围带，整体拉筋，叶根采用大承载的直线形枞树型叶根设计，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1000MW空冷汽轮机，而且可推广应用于两排汽500MW等级亚临界(或超临界)等级空冷汽轮机，从而可减少一个低压缸，大大减少设备投资和基建及运行维修费用，具有广阔的市场应用前景。

附图说明

本发明将通过实施例并参照附图的方式说明，其中：

图1是本叶片的结构示意图。

图2是拉筋结构示意图。

图3是图2的A向结构示意图。

图4是围带结构示意图。

图5是叶身截面示意图。

图6是叶片顶部超音速叶型截面马赫数分布图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，除了互相排斥的特征以外，均可以以任何方式组合。本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

本动叶片的设计载体选择空冷4F-1000MW等级汽轮机，此机最适宜的设计背压为13.0Kpa，在此设计背压范围内，最终方案确定的末级动叶片其结构参见图1。叶片采用合适的合金钢叶片和转子材料，动叶片由4个部分组成，分别是：围带1，阻尼凸台拉筋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。

(1)叶身设计：

叶身结构参见图1和图4。叶身的有效高度H为770.0mm，根径Dr1905mm(图中未示出)，其环形面积等于6.47m²，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。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，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。

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身要素及安装位置，沿叶高各基本叶身的特征是：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。叶身是由若干特征截面按一特定规律迭合而成的异形体，特征截面的轮廓型线是由内弧曲线5和背弧曲线6围成的封闭曲线，叶身的横截面积沿高度单调减小，呈塔形变化，安装角c1由70.58°单调减小到13.67°；从根截面到顶截面的面积A(图中未示出)变化规律为：4.68≥A≥1.0，从根截面到顶截面的轴向宽度Xa变化规律为：4.628≥Xa≥1.0，从根截面到顶截面的弦长b1变化规律为：1.612≥b1≥1.0，从根截面到顶截面的最大厚度W1变化规律为：2.214≥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身截面沿叶高的成型规律，同时保证各典型截面之间的型面光滑连接，最终实现本叶片级流场特性的优化。

从图6所示的顶部超音速叶型截面马赫数分布图可知，顶部超音叶型线具有非常优良的气动特性，适应顶部高超音速流动的特性。

(2)凸台拉筋结构、围带结构-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。在叶身上高度为Lj的位置设置凸台拉筋结构，见图2、图3。凸台拉筋的高度Lj满足关系式0.5＜Lj/Ld＜0.75，凸台拉筋截面为椭圆形，其背弧工作面S2、内弧工作面P2是相互平行的平面；A2为工作面S2、P2间的距离，T2为背、内弧工作面S2、P2几何中心间的距离，S2面与汽轮机转子中轴线X轴的夹角B2满足关系式：该凸台厚度B满足20mm＜B＜30mm。凸台拉筋工作面与X轴的夹角B2满足关系式：A2＝T2·COSB2；55°≤B2≤75°。

本拉筋结构的功能是在额定转速时工作面接触形成合适的压应力，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。

与叶身自成一体的围带结构围带结构见图3，其厚度H1(10mm＜H1＜20mm)，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与相邻叶片围带工作面P1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*COSB1，30°≤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≤2500转/分。工作面压应力F1满足关系式：0.0136＜F1≤0.054倍材料的强度极限。

(3)叶根设计

叶根4为4齿直线形枞树型叶根，叶片与转子结合牢固、稳定，且便于与转子装配，操作简便、快捷。

图1-图5中的部分参数定义：

H-叶身有效高度：叶身顶截面与叶身根截面之间的距离。

H1-围带厚度。

Lj-凸台拉筋位置高度：叶身根截面与凸台拉筋中心的垂直距离。

B-凸台拉筋的厚度。

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。

O1-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(O1/T)。

c1°-叶身安装角：弦长线与周向(Y向)的夹角。

W-叶根轴向宽度。

本发明的叶片通过叶根安装在转轴外圆上的叶轮槽中，每圈轮槽安装70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1000MW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500MW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。

需要说明的是，本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合。

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，腰部有凸台拉筋，叶根、叶身、凸台拉筋、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H＝770.0mm、根径为Dr＝1905mm；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；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H的相对值由0.0单调增加到1.0；与之相对应，安装角c1由70.5°单调减小到13.67°；从根截面到顶截面的面积A变化规律为：4.68≥A≥1.0，从根截面到顶截面的轴向宽度Xa变化规律为：4.628≥Xa≥1.0，从根截面到顶截面的弦长b1变化规律为：1.612≥b1≥1.0，从根截面到顶截面的最大厚度W1变化规律为：2.214≥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：

所述凸台拉筋截面为椭圆形，其厚度B满足关系式：

20mm≤B≤30mm；

所述凸台拉筋的工作面与X轴的夹角B2满足关系式：

A2＝T2·COSB2；55°≤B2≤75°；

凸台拉筋的高度Lj满足关系式：

0.5＜Lj/H＜0.75。

3.根据权利要求1或2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；30°≤B1≤50°。

4.根据权利要求3所述的空冷汽轮机末级动叶片，其特征在于，所述叶根是4齿直线形枞树型叶根。

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