CN102140933A - 湿冷汽轮机末级动叶片 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种湿冷汽轮机末级动叶片，特征是叶片有效高度为736.6mm，叶身高度H的相对值由0.0单调增加到1.0，安装角c1由72.06°单调减小到14.78°；从根截面到顶截面的面积A变化规律为：4.511≥A≥1.0，从根截面到顶截面的轴向宽度Xa变化规律为：4.093≥Xa≥1.0，从根截面到顶截面的弦长b1变化规律为：1.324≥b1≥1.0，从根截面到顶截面的最大厚度W1变化规律为：3.587≥W1≥1.0。尤其是适用于背压6~10kPa，功率150MW~250MW，转速3000rpm的亚临界湿冷汽轮机。

Description

湿冷汽轮机末级动叶片

技术领域

本发明涉及湿冷汽轮机的动叶片，尤其是适用于背压6~10kPa，功率150MW~250MW，转速3000rpm的亚临界湿冷汽轮机。

背景技术

随着火力发电技术的发展，高参数、大容量的机组由于其效率高、环保节能等优势，已成为当前市场的主流。目前国内汽轮机市场主要是以300MW、600MW和1000MW等级机组为主流，更低功率等级机组已很少有电厂采用。但在国内某些电厂，及国外一些发展中国家，200MW等级机组仍有一定市场。

目前国内大部分200MW等级汽轮机主要是在上世纪80年代前后设计的机组，虽然在90年代初期对其进行过改进，但其设计指标与采用的技术相对现在而言均已落后。将目前大功率汽轮机设计中使用的先进设计方法、新材料、新制造工艺应用到200MW等级的汽轮机，可以使这些功率较小的汽轮机在效率、可靠性方面都有大幅度的提高。

汽轮机的设计中，末级动叶片的结构设计，因其涉及的技术面广、技术含量高而成为汽轮机的核心技术。汽轮机的容量越大、发电密度越高，要求其初参数越高，排汽环形面积越大，需要的末级叶片就越长，末级叶片越长，对叶片材料强度要求就越高，叶片的气动和振动设计就越难，因此，汽轮机末级长叶片的开发成为世界上各大汽轮机制造商关注的重点，也是其设计制造的难点，其水平代表了开发者的综合实力。

在20世纪八十年代，由于材料水平的限制和叶片设计手段的落后，国内200MW汽轮机一般采用三排汽口，末级叶片其高度一般在660mm，其型线损失大，效率低，且由于排汽面积小，单流排汽面积为4.13m²，需采用三排汽才能满足要求，增加了系统的复杂性和制造成本。

在结构方面，其主要采用叶身中部穿松拉筋、叶片顶部采用拱形围带铆接成圈结构。这种叶片结构其频率难以准确计算，需依靠多次试验来确定拉筋安装的位置。并且实际运行过程中，由于制造装配存在误差和长叶片扭转恢复角大等原因，拱形围带存在受力不均匀导致开裂等问题，严重影响汽轮机的安全正常运行。

综上所述，于90年代设计的200MW等级末叶片已无法满足新时期对汽轮机经济性和安全性的高要求。

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，适用于背压范围6～10kPa，功率150MW～250MW等级的湿冷汽轮机末级动叶片。

为了解决以上技术问题，本发明的湿冷汽轮机末级动叶片，具有整体结构的叶身、叶根、围带、凸台拉筋，所述围带位于叶身的顶部，所述凸台拉筋位于叶身的腰部，所述叶根位于叶身的根部；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、根径为Dr；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72.06°单调减小到14.78°；从根截面到顶截面的面积A变化规律为：4.511≥A≥1.0，从根截面到顶截面的轴向宽度Xa变化规律为：4.093≥Xa≥1.0，从根截面到顶截面的弦长b1变化规律为：1.324≥b1≥1.0, 从根截面到顶截面的最大厚度W1变化规律为：3.587≥W1≥1.0。

所述叶身有效高度为H=736.6mm、根径为Dr=1450mm。

所述凸台拉筋截面为椭圆形，其厚度B满足关系式：

10mm≤B≤15mm。

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；   25°≤B2≤35°；

式中：A2 —凸台拉筋工作面S2、 P2之间的距离；

T2—节距,相邻两叶片凸台拉筋高度截面在周向的安装距离；

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°；

式中：  A1—围带工作面S1、 P1之间的距离；

T1—节距,相邻两叶片围带高度截面在周向的安装距离。

所述叶根是3齿直线形枞树型叶根。

本发明的技术效果：

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。

本发明的湿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。它适用于背压6～10kPa、功率150MW～250MW、转速3000rpm的亚临界湿冷汽轮机。

附图说明

以下将通过实施例对本发明详细说明；

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。

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湿冷双排汽220MW等级汽轮机，此机最适宜的设计背压为8kPa，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736.6mm，根径Dr1450 mm（图中未示出），其环形面积等于5.06m² ，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。

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和背弧曲线围成的封闭曲线，叶身的横截面积沿高度单调减小，呈塔形变化，安装角c1由72.06°单调减小到14.78°；从根截面到顶截面的面积A变化规律为：4.511≥A≥1.0，从根截面到顶截面的轴向宽度Xa变化规律为：4.093≥Xa≥1.0，从根截面到顶截面的弦长b1变化规律为：1.324≥b1≥1.0, 从根截面到顶截面的最大厚度W1变化规律为：3.587≥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。

（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/H<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10mm<B<20mm。凸台拉筋工作面与X轴的夹角B2满足关系式：A2=T2·COSB2；25°≤B2≤35°。

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4，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*COSB1，30⁰≤B1≤50⁰，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：0.01<F1≤0.05倍材料的强度极限。

（3）叶根设计

叶根4为3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92只叶片，当叶轮上一周的叶轮槽中均装上叶片后，就形成了汽轮机的末级。对于200MW等级的湿冷汽轮机，每台机组仅需要正反共两级（2个排汽口），与以前的200MW三缸三排汽机组相比，减少了1个排汽口，大大减小了系统的复杂性和制造成本。

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 (6)

1.一种湿冷汽轮机末级动叶片，具有整体结构的叶身、叶根、围带、凸台拉筋，所述围带位于叶身的顶部，所述凸台拉筋位于叶身的腰部，所述叶根位于叶身的根部；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、根径为Dr；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；其特征在于，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72.06°单调减小到14.78°；从根截面到顶截面的面积A变化规律为：4.511≥A≥1.0，从根截面到顶截面的轴向宽度Xa变化规律为：4.093≥Xa≥1.0，从根截面到顶截面的弦长b1变化规律为：1.324≥b1≥1.0, 从根截面到顶截面的最大厚度W1变化规律为：3.587≥W1≥1.0。

2.根据权利要求1所述的湿冷汽轮机末级动叶片，其特征在于，所述叶身有效高度为H=736.6mm、根径为Dr=1450mm。

3.根据权利要求1所述的湿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：

10mm≤B≤15mm。

4.根据权利要求1所述的湿冷汽轮机末级动叶片，其特征在于，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；   25°≤B2≤35°；

式中：A2 —凸台拉筋工作面S2、 P2之间的距离；

T2—节距,相邻两叶片凸台拉筋高度截面在周向的安装距离；

凸台拉筋的高度Lj满足关系式：

0.5<Lj/H<0.75。

5.根据权利要求1所述的湿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°；

式中：  A1—围带工作面S1、 P1之间的距离；

T1—节距,相邻两叶片围带高度截面在周向的安装距离。

6.根据权利要求1所述的湿冷汽轮机末级动叶片，其特征在于，所述叶根是3齿直线形枞树型叶根。

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