CN102720543A - 带顶部切圆的汽轮机叶片半剖式松拉筋结构 - Google Patents

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谢永慧
申仲旸
张荻
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Abstract

本发明提供了一种带顶部切圆的汽轮机叶片半剖式松拉筋结构，其与汽轮机叶片的拉筋孔相配合部分的横截面形状为：在圆形顶部和底部均具有切圆；切圆的高度小于或等于圆形半径的20%。该拉筋有良好的截面特性，有利于其加工弯曲；该拉筋结构与叶片有两个接触点，增加拉筋与叶片的接触点可以增加其相互之间的总摩擦力，从而增加阻尼并减小叶片的振动；该拉筋不仅能减小叶片组沿径向和周向的振动，还可以较为有效地减小叶片组的轴向振动和扭转振动。

Description

带顶部切圆的汽轮机叶片半剖式松拉筋结构
技术领域
本发明属于叶轮机械领域，涉及汽轮机叶片的拉筋，尤其涉及一种带切圆的半剖式松拉筋结构。
背景技术
汽轮机是能源、化工以及国防领域重要的动力机械，叶片是汽轮机工作时热能、机械能相互转化的最主要元件，汽轮机叶片主要包括叶身、叶根、叶冠部分，有些汽轮机叶片还带有拉筋结构。
汽轮机叶片的安全性往往是设计人员最为关注的问题，汽轮机动叶在工作时产生的振动是造成叶片损坏的最主要因素，解决此问题的方法主要有两个，一是设计叶片时特意避开共振频率，减小激振力下的响应；二是增加叶片的振动阻尼。叶片用整圈松拉筋连接是增加叶片阻尼的一个有效方法，某个带有整圈松拉筋的叶片三维视图见图1。
从国内外数十年的研究、设计、加工、运行经验可知，采用带整圈松拉筋的叶片主要有三个难题：一是拉筋的加工，由于松拉筋是穿在叶片的拉筋孔中的，而拉筋的各处呈圆弧状，因此拉筋加工时必须使其各段的弧度保持一定精度以保证顺利的穿入叶片；二是叶片拉筋的安装，整圈松拉筋与叶片的安装通常要将拉筋设计成半圆形并分割成多段，每段之间保持一定间隙，安装叶片时将间隙空出，将叶片逐个装入，直到最后一个叶片装入后推动各段拉筋至合适位置以形成整圈；三是拉筋装入后需保证叶片在工作时和拉筋良好地接触以提供阻尼力，从而起到增加叶片刚度、减小叶片沿各方向振动的目的。
在拉筋的作用下，能使叶片形成整圈连接并产生摩擦阻尼从而降低叶片动应力，但目前常见的拉筋与叶片在工作时往往只是单点接触，因此产生的阻尼只在限制周向和径向振动中作用较为明显，同时由于拉筋一般呈圆形，拉筋横截面的抗弯截面模量大，使得拉筋的加工弯曲较难，很难保证较高的加工精度。
发明内容
针对目前汽轮机叶片整圈松拉筋的几点不足，本发明的目的，是提供一种带顶部切圆的汽轮机叶片半剖式松拉筋结构，该结构的拉筋具有加工弯曲容易、与叶片多点接触、同时抵抗周向、轴向和扭转振动的优良特性，而且可以方便地与叶片安装，因此可以在很大程度上改善汽轮机动叶在运行时的振动问题从而提高叶片安全性，并且可以降低其加工难度。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
带顶部切圆的汽轮机叶片半剖式松拉筋结构，其与汽轮机叶片的拉筋孔相配合部分的横截面形状为：在圆形顶部和底部均具有切圆；切圆的高度小于或等于圆形半径的20%。
本发明进一步的改进在于：所述带顶部切圆的汽轮机叶片半剖式松拉筋结构包括若干第一半拉筋和若干第二半拉筋，第一半拉筋和第二半拉筋贴合处的横截面形状为：在圆形顶部和底部均具有切圆；切圆的高度小于或等于圆形半径的20%。
本发明进一步的改进在于：切圆垂直第一半拉筋和第二半拉筋的贴合缝切除。
本发明进一步的改进在于：相邻的第一半拉筋间的间隙为17-22mm；相邻的第二半拉筋的间隙为17-22mm。
本发明进一步的改进在于：第一半拉筋和第二半拉筋贴合的端部焊接固定。
本发明进一步的改进在于：所述圆形的直径比拉筋孔的直径小0.5mm。
本发明进一步的改进在于：所述带顶部切圆的汽轮机叶片半剖式松拉筋结构与叶片的拉筋孔具有两个接触点。
本发明一种带顶部切圆的汽轮机叶片半剖式松拉筋结构，汽轮机动叶的70%叶高附近打有拉筋孔，该孔为直通孔。拉筋在空间形成一个圆，为了保证一圈叶片能完整地装入拉筋，将拉筋沿着与叶片径向方向平行的中心线进行半剖，同时将其分割成多段并留出一定间隙，半剖后在拉筋垂直于中心线的顶部和底部进行切圆，形成两个圆弧平台。在拉筋和叶片安装时，首先推动拉筋将所有的间隙填满，通过一圈拉筋剩余的空隙逐个装入叶片，直到最后一支叶片装入时将拉筋推动，在各段间重新形成间隙并将整圈叶片都装入，然后通过布置焊点防止拉筋的滑动以达到固定的效果。
此拉筋结构与传统的松拉筋相比，主要区别在于拉筋上下顶面的切圆结构，通过布置该切圆结构，拉筋能具有以下几个优点：
1、该拉筋有良好的截面特性，有利于其加工弯曲。拉筋沿叶片主轴平行的中心线上的平面抗弯截面系数是影响其刚度的主要参数，通过在拉筋上下顶部布置切圆结构，可以将其抗弯截面系数降低大约6%-7%。如图5所示的两种截面，a截面为直径Φ13mm的圆，其沿水平中心线的抗弯截面系数为215.69mm3，而在上下顶面与圆心距离5.65mm以上进行切圆后，形成的b截面抗弯截面系数变为201.14mm3，减小了6.7%，由此可见，此切圆结构可以明显降低拉筋弯曲截面的抗弯截面系数。
2、该拉筋结构与叶片有两个接触点，见图6，而传统的拉筋与叶片仅有一个接触点。众所周知，拉筋与叶片接触形成的阻尼是增加叶片刚度从而减小振动的本质，增加拉筋与叶片的接触点可以增加其相互之间的总摩擦力，从而有利于减小叶片的振动。
3、该拉筋不仅能减小叶片组沿径向和周向的振动，还可以较为有效地减小叶片组的轴向振动和扭转振动。图6为该拉筋和常规拉筋与叶片接触时的理论受力分析，从图中可以看出，该拉筋与叶片接触时的作用力存在一个沿轴向的分量，从而增加了叶片沿此方向的刚度，减小叶片沿该此方向的振动，而常规拉筋与叶片几乎不产生沿轴向的力，因此该拉筋结构有利于防止叶片的轴向振动。图7为该拉筋与叶片接触时的理论力偶分析，从图中可以看出，当叶片发生扭转振动时，拉筋接触部位的两个接触点会产生一个抵抗此扭转的反力偶，从而减小叶片的扭转振动，而常规拉筋与叶片只有一个接触点无法产生力偶，因此该拉筋结构有利于防止叶片的扭转振动。
附图说明
图1是带有整圈松拉筋的汽轮机叶片三维图；
图2a是叶片拉筋孔的周向示意图；
图2b是叶片拉筋孔的轴向示意图；
图3a是拉筋的剖面示意图；
图3b是拉筋间隙示意图；
图4是拉筋安装方式示意图；
图5a是常规拉筋横截面示意图，其抗弯截面系数W=215.69mm3；
图5b是本发明拉筋结构的剖面示意图,其抗弯截面系数W=201.14mm3；
图6a是常规拉筋与叶片接触时的受力分析图；图6b为本发明拉筋与叶片接触时的受力分析图；
图7a是常规拉筋与叶片接触时的力偶分析图；图7b是本发明拉筋与叶片接触时的力偶分析图。
具体实施方式
参见图1、图2a和图2b所示，在汽轮机动叶的70%左右叶高附近打出拉筋孔，工程中拉筋孔的直径一般在Φ10-15mm左右，拉筋孔为直孔。
参见图3a和图3b所示，本发明拉筋设计成半剖式，在顶部和底部进行切圆，同时分隔成多段，每一段之间保持一定的间隙10，间隙10具体值依据拉筋工作的安全性，通常约为17-22mm，拉筋的直径一般比拉筋孔的直径小0.5mm左右，上下各保持0.25mm的间隙，这主要是为了保证叶片顺利地装入拉筋。
参见图4，拉筋安装时，首先推动拉筋将所有叶片间的间隙填满，通过一圈拉筋剩余的空隙逐个装入叶片，直到最后一支叶片20时将拉筋推动，在各段间重新形成间隙并将整圈叶片都装入，此时通过布置焊点防止拉筋的滑动以达到固定的效果。
参见图5a和图5b所示，通过拉筋横截面的顶部及底部的切圆结构，拉筋横截面的抗弯界面系数下降，使得拉筋的加工弯曲更加容易，但切圆如果过多则会影响拉筋工作的安全性，综合考虑抗弯截面系数及拉筋安全性，需保证切圆后的高度H大于或等于80%的拉筋半径(切圆高度参见图5b示意)。
参照图6a和图6b所示，叶片工作时，在离心力的作用下拉筋将和叶片接触并产生作用力，常规拉筋与拉筋孔200只有一个接触点100，其作用力为F；本发明中拉筋，由于拉筋顶部存在切圆结构，本发明拉筋与拉筋孔200有两个接触点100，作用力F包括一个径向分量Fy和一个轴向的分量Fx，轴向分量Fx的阻尼力增加了叶片沿轴向的刚度从而减小了叶片沿该方向的振动。
参照图7a和图7b所示，叶片工作时离心力使得拉筋与叶片接触，常规拉筋与叶片之间只有一个接触点，单点接触无法产生力偶；本发明拉筋顶部的切圆结构，使得叶片发生扭转振动时与拉筋产生两个接触点，因此产生了一定的反力偶M1、M2限制叶片的扭转振动。

Claims (7)

1.带顶部切圆的汽轮机叶片半剖式松拉筋结构，其特征在于，其与汽轮机叶片的拉筋孔相配合部分的横截面形状为：在圆形顶部和底部均具有切圆；切圆的高度小于或等于圆形半径的20%。
2.根据权利要求1所述的带顶部切圆的汽轮机叶片半剖式松拉筋结构，其特征在于，所述带顶部切圆的汽轮机叶片半剖式松拉筋结构包括若干第一半拉筋和若干第二半拉筋，第一半拉筋和第二半拉筋贴合处的横截面形状为：在圆形顶部和底部均具有切圆；切圆的高度小于或等于圆形半径的20%。
3.根据权利要求2所述的带顶部切圆的汽轮机叶片半剖式松拉筋结构，其特征在于，切圆垂直第一半拉筋和第二半拉筋的贴合缝切除。
4.根据权利要求2所述的带顶部切圆的汽轮机叶片半剖式松拉筋结构，其特征在于，相邻的第一半拉筋间的间隙为17-22mm；相邻的第二半拉筋的间隙为17-22mm。
5.根据权利要求2所述的带顶部切圆的汽轮机叶片半剖式松拉筋结构，其特征在于，第一半拉筋和第二半拉筋贴合的端部通过焊接固定。
6.根据权利要求2所述的带顶部切圆的汽轮机叶片半剖式松拉筋结构，其特征在于，所述圆形的直径比拉筋孔的直径小0.5mm。
7.根据权利要求1所述的带顶部切圆的汽轮机叶片半剖式松拉筋结构，其特征在于，所述带顶部切圆的汽轮机叶片半剖式松拉筋结构与叶片的拉筋孔具有两个接触点。
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