CN102140934A - 60Hz湿冷汽轮机末级动叶片 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种60Hz湿冷汽轮机末级动叶片，特征是叶片有效高度为910.2mm，叶身高度Ld的相对值由0.0单调增加到1.0，安装角c1由86.44°单调减小到15.18°；从根截面到顶截面的面积A变化规律为：5.55≥A≥1.0，从根截面到顶截面的轴向宽度Xa变化规律为：5.905≥Xa≥1.0，从根截面到顶截面的弦长b1变化规律为：1.582≥b1≥1.0，从根截面到顶截面的最大厚度W1变化规律为：3.031≥W1≥1.0。适用于功率300MW~700MW，转速3600rpm的亚临界湿冷汽轮机。

Description

60Hz湿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，适用于电网频率60HZ，功率300~700MW，转速3600rpm的亚临界湿冷汽轮机。

背景技术

我国的汽轮机产品都是针对50HZ/220V的电网要求设计的，而世界上有些国家的电网是60HZ/110V，如巴西、朝鲜，包括台湾。

国外大公司如GE、西门子等都具有50HZ和60HZ的汽轮机产品，日本国家电网本来就有50HZ和60HZ，所以日本的东芝、日立等公司当然具有50HZ和60HZ的汽轮机产品。而且都具有广泛的市场基础和运行业绩。

国内的三大汽轮机制造厂家，上汽与西门子是合资公司，哈汽与GE进行技术业务合作，都拥有60HZ汽轮机产品的技术。

本申请人东方汽轮机有限公司为了把汽轮机做强、做大，增强国际竞争力，开发适应国外60HZ/110V电网需求的汽轮机产品已是一项迫在眉睫任务。

60HZ/110V汽轮机的核心部件是叶片，尤其是末级动叶片，如何使其满足60HZ工况下的应力要求，又要与国外公司的同类产品结构不同，是一项新的课题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，自主开发一种结构合理，动应力低，适用于300MW ~700MW等级的60Hz汽轮机末级动叶片。

本发明的技术方案是：

一种湿冷汽轮机末级动叶片，具有整体结构的叶身、叶根、围带和凸台拉筋，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Ld、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86.44⁰单调减小到15.18⁰；从根截面到顶截面的面积A变化规律为：5.55≥A≥1.0，从根截面到顶截面的轴向宽度Xa变化规律为：5.905≥Xa≥1.0，从根截面到顶截面的弦长b1变化规律为：1.582≥b1≥1.0,从根截面到顶截面的最大厚度W1变化规律为：3.031≥W1≥1.0。

所述叶身的有效高度为Ld =910.2mm、根径为Dr=1545.2mm。

所述凸台拉筋截面为椭圆形，其厚度S满足关系式： 10mm≤S≤30mm；

所述凸台拉筋的工作面与X轴的夹角B1’满足关系式：

A1’=T1’·COSB1’；   10°≤B1’≤50°；

式中：A1’—凸台拉筋工作面S1’、 P1’之间的距离；

T1’—节距：相邻两叶片凸台拉筋高度截面在周向的安装距离。

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°；

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7叉叶根。

本发明的技术效果：

在总结50Hz汽轮机末级叶片设计经验基础上，为满足海外市场对60Hz汽轮机的需求，应用当代先进的设计技术，成功完成了适用于300MW ~700MW等级的910.2mm湿冷汽轮机末级叶片的设计。新开发的910.2mm湿冷汽轮机末级叶片具有较先进的结构型式－阻尼式自带围带，整体凸台拉筋，叶根采用大刚性的7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。

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是凸台拉筋结构示意图；

图3-1是图3的E向视图；

图3-2是相邻两叶片的拉筋配合关系图；

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：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，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。叶片通过7叉叶根4安装在转轴外圆上的叶轮槽中，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。

本动叶片的设计载体选择空湿冷4排汽660MW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气道高为910.2mm，根径Dr（1545.2 mm），其环形面积大于7.06m² ，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。本次设计以4排汽660MW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。

凸台拉筋高度：叶身根截面与凸台拉筋中心的垂直距离。

S-凸台拉筋厚度。

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。

-节距：相邻两叶片同一高度截面在周向的安装距离。

T1—节距：相邻两叶片围带高度截面在周向的安装距离。

T1’—节距：相邻两叶片凸台拉筋高度截面在周向的安装距离。

A1’-凸台拉筋工作面S1’、P1’之间的距离。

B1’°-凸台拉筋工作面S1’、P1’与X轴的水平夹角。

-叶身截面弦向宽。

-叶身根截面轴向宽度。

1-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)。

1°-叶型安装角：弦长线与周向（Y向）的夹角。

- 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86.44⁰单调减小到15.18⁰；从根截面到顶截面的面积A变化规律为：5.55≥A≥1.0，从根截面到顶截面的轴向宽度Xa变化规律为：5.905≥Xa≥1.0，从根截面到顶截面的弦长b1变化规律为：1.582≥b1≥1.0, 从根截面到顶截面的最大厚度W1变化规律为：3.031≥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3600RPM下，采用Cr-Mo-V马氏体钢制成的单只叶片的离心力较大，约290.7吨，由于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耦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：设计了在叶身上高度为LJ的位置开一拉筋结构（见图3、图3-1、图3-2）,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S1’、内弧工作面P1’是相互平行的平面本凸台拉筋结构的功能是在约转速N1’转/分时，拉筋平台工作面（S1’面）与相邻叶片拉筋平台工作面（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’，10⁰≤B1’≤50⁰，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*COSB1，10⁰≤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≤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 (5)

1.一种60HZ湿冷汽轮机末级动叶片，具有整体结构的叶身、叶根、围带和凸台拉筋，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Ld、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86.44⁰单调减小到15.18⁰；从根截面到顶截面的面积A变化规律为：5.55≥A≥1.0，从根截面到顶截面的轴向宽度Xa变化规律为：5.905≥Xa≥1.0，从根截面到顶截面的弦长b1变化规律为：1.582≥b1≥1.0, 从根截面到顶截面的最大厚度W1变化规律为：3.031≥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，所述叶身的有效高度为Ld =910.2mm、根径为Dr=1545.2mm。

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S满足关系式： 10mm≤S≤30mm；

所述凸台拉筋的工作面与X轴的夹角B1’满足关系式：

A1’=T1’·COSB1’；   10°≤B1’≤50°；

式中：A1’—凸台拉筋工作面S1’、 P1’之间的距离；

T1’—节距：相邻两叶片凸台拉筋高度截面在周向的安装距离。

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，所述围带的工作面与X轴的夹角B1满足关系式：  

A1=T1·COSB1；   10°≤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。

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，所述叶根是7叉叶根。

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