CN103437830A - 一种汽轮机叶片拉筋孔凸台结构及其与松拉筋的配合结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种汽轮机叶片拉筋孔凸台结构及其与松拉筋的配合结构，包括叶片和松拉筋；叶片的压力面侧和吸力面侧各设有一个凸台，凸台从叶片的压力面侧和吸力面水平伸出，凸台的凸台轴线为叶片的周向方向，相邻叶片的压力面凸台、吸力面凸台伸出长度之和为0.4-0.6倍叶片节距；凸台中布置有拉筋孔；拉筋孔中心线与凸台轴线间的夹角为2°-4°；松拉筋穿入拉筋孔中；在叶片工作时，松拉筋与压力面凸台的拉筋孔和吸力面凸台的拉筋孔接触，形成两个接触点，其总振动阻尼增大，提升了松拉筋对叶片的减振能力；同时两个接触点间可以在叶片扭转时形成转矩，这样可以减弱叶片在工作时产生的扭转振动。

Description

一种汽轮机叶片拉筋孔凸台结构及其与松拉筋的配合结构

技术领域

本发明属于透平机械领域，涉及一种透平叶片的拉筋装置。 

背景技术

透平机械是能源、化工以及国防领域重要的动力机械，叶片是透平机械（如汽轮机）工作时热能、机械能相互转化的最主要元件，拉筋结构常用于汽轮机动叶片中作为减小叶片振动的一种手段，拉筋结构包括凸台拉筋和松拉筋两种型式。 

汽轮机叶片在工作时会产生一定的振动，叶片振动往往是损坏叶片最常见、最直接的原因，因此叶片设计者非常关注叶片的振动特性及减振结构，减少叶片振动的方法通常主要有两个，一是在设计叶片时即考虑其共振频率，在结构设计上避开振动频率；二是采用增加叶片振动阻尼结构，如围带、拉筋等。叶片松拉筋连接是增加叶片振动阻尼的一个有效方法，某个带有整圈松拉筋的叶片三维示意图见图1。 

从国内外学者、工程师对汽轮机叶片数十年的研究、设计、加工、运行经验可知，在叶片上安装松拉筋结构来减振时有几大关键问题：一是松拉筋的安装，由于松拉筋在空间上是圆弧状，套入叶片的拉筋孔时往往会出现卡死、摩擦等不利于其安装的现象；二是松拉筋工作时与叶片的接触及应力状况，松拉筋与叶片的接触而产生阻尼是叶片减振的本质原因，因此必须保证拉筋与叶片良好地接触，并尽可能地增加其接触点；三是由于应力状况带来的松拉筋材料选择，松拉筋磨损等问题，由于松拉筋工作时的应力需要控制，因此常使用钛 合金等弹性模量较小的低密度材料，但其阻尼效果较差，同时由于松拉筋工作时有部分应力集中现象，在叶片运行一段时间后拉筋的局部常出现磨损的现象。因此从以上三点改善松拉筋设计具有很大的意义。 

发明内容

针对目前透平叶片整圈松拉筋在设计、运行时的几点关键问题，本发明的目的是提供一种汽轮机叶片拉筋孔凸台结构及其与松拉筋的配合结构，该拉筋结构加工简单，能更好地与叶片拉筋孔进行组合安装，与叶片产生多个接触点，拉筋应力水平明显降低，同时对叶片的切向、扭转振动的抑制作用明显增强。因此，该拉筋孔及拉筋的组合方式能更加有效地降低叶片的振动水平，提升拉筋的安全性能，从而提高叶片的安全可靠性。 

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是： 

一种汽轮机叶片拉筋孔凸台结构，包括叶片；叶片的压力面侧和吸力面侧各设有一个凸台，凸台从叶片的压力面侧和吸力面水平伸出，凸台的凸台轴线为叶片的周向方向，相邻叶片的压力面凸台、吸力面凸台伸出长度之和为0.4-0.6倍叶片节距；凸台中布置有拉筋孔；拉筋孔中心线与凸台轴线间的夹角为2°-4°。 

本发明进一步的改进在于：压力面凸台的拉筋孔和吸力面凸台的拉筋孔以叶片的放射线对称设置；拉筋孔均朝向转子轴线方向倾斜。 

本发明进一步的改进在于：凸台的上表面和下表面被拉筋孔隔开，上表面的厚度大于下表面的厚度。 

本发明进一步的改进在于：凸台设置于叶片上60%-80%叶高位置处。 

本发明进一步的改进在于：压力面凸台和吸力面凸台伸出长度相同。 

一种汽轮机叶片拉筋孔凸台结构及其与松拉筋的配合结构，松拉筋穿入凸 台的拉筋孔中；在叶片工作时，松拉筋与压力面凸台的拉筋孔和吸力面凸台的拉筋孔接触，形成两个接触点。 

一种汽轮机叶片拉筋孔和松拉筋组合结构，包括一圆环形凸台结构，此凸台位于位于汽轮机动叶片上，位于叶片60%-80%叶高处，此凸台的轴线与汽轮机主轴平行，每一支叶片的压力面侧和吸力面侧分别伸出一半此凸台结构，凸台伸出的长度约为叶片节距的一半，凸台的示意如图2a，2b。圆环形凸台中布置拉筋孔，拉筋孔的特征为：以拉筋孔高度为基准，拉筋孔与凸台的轴线呈一定角度，倾斜角度根据叶片节距，叶片节圆高度适当调整，约2°～4°。松拉筋穿入此拉筋孔时，由于其存在一定的倾斜角度，安装较于直通孔而言更加容易，不容易出现卡死的现象，同时当叶片工作时，松拉筋在离心力的作用下与凸台上的拉筋孔接触，每支叶片的拉筋孔与松拉筋最少形成两个接触点，分别位于叶片吸力面侧和压力面侧的凸台孔部分。如采用申请人曾公开的发明专利申请（CN103016066A）中的特殊松拉筋结构与此拉筋孔配合，则能产生多达四个接触点。叶片工作时，松拉筋在离心力的作用下与拉筋孔的上表面贴紧形成应力，由于拉筋孔的倾斜角度，拉筋孔上侧比下侧更厚，其承受应力的能力更大，因此带有倾斜角度的拉筋孔相比与直通拉筋孔而言更加合理。由于松拉筋与拉筋孔接触点增多带来应力大幅度降低，对应的松拉筋则可以使用弹性模量和刚度更大的合金钢制造，这样可以产生更大的振动阻尼以增强松拉筋的减振能力，同时还缓解了松拉筋易出现的磨损现象。 

相对于现有技术，本发明的技术效果： 

1、叶片工作时，该松拉筋与叶片的拉筋孔凸台能形成至少两个接触点，其总振动阻尼增大，提升了松拉筋对叶片的减振能力；同时两个接触点间可以在 叶片扭转时形成转矩，这样可以减弱叶片在工作时产生的扭转振动。 

2、由于松拉筋与叶片拉筋孔凸台处的接触点增加，同时凸台部分减少了松拉筋悬空段的距离，因此松拉筋工作贴紧时的应力以二次方关系下降，同时由于拉筋孔的倾斜，松拉筋工作时将接触于叶片凸台中更厚的上表面，其承受应力能力将增强，松拉筋的应力得到控制后可以将松拉筋材料更换成弹性模量及刚度更大的合金钢，能提升叶片的总振动阻尼。 

3、由于松拉筋悬空段减少以及拉筋、叶片接触点的增加，松拉筋接触位置应力大幅下降，可以使得松拉筋常见的磨损问题得到一定程度的缓解。 

4、由于叶片拉筋凸台中的拉筋孔呈一定角度，其在空间上与松拉筋的圆形更加吻合，松拉筋安装过程将更加顺畅，卡死现象将得到缓解。 

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是叶片拉筋孔上凸台的示意图； 

图2b是叶片拉筋孔凸台附近剖视图； 

图2c是拉筋孔凸台安装角度示意图； 

图3a是拉筋孔凸台和松拉筋配合的示意图； 

图3b是图3a中I部的局部放大图； 

图4a是常规叶片拉筋孔与松拉筋接触受力示意图； 

图4b是本发明中拉筋孔凸台与松拉筋接触受力示意图； 

图4c是多个叶片节距下的拉筋孔与松拉筋配合示意及悬空段示意图； 

图5a是多个叶片节距下松拉筋与常规拉筋孔配合时理论受力示意图； 

图5b是多个叶片节距下松拉筋与发明中拉筋孔凸台配合时理论受力示意 图； 

具体实施方式

参见图1、汽轮机动叶片1上60%-80%叶高位置为拉筋孔10，松拉筋2穿过拉筋孔，整圈连接叶片。 

参见图2a，2b所示，本发明一种汽轮机叶片拉筋孔凸台结构，在叶片1压力面侧和吸力面侧各加工一个凸台，凸台11为水平伸出，其轴线110为叶片1的周向方向，相邻叶片1的压力面、吸力面凸台11伸出长度之和为0.4-0.6倍叶片节距为佳。凸台11中布置有拉筋孔10以使拉筋2穿入，拉筋孔中心线100与凸台中心线110间的相对角度参见图2c，以拉筋2的节圆直径为标准，拉筋孔10向两侧倾斜，其与凸台11的轴线110呈夹角α，此角度根据拉筋的节圆直径和叶片节距的尺寸进行调整，在2°-4°左右，此角度以满足松拉筋顺利穿入拉筋孔以及拉筋接触点跨度尽可能大为前提。压力面凸台的拉筋孔和吸力面凸台的拉筋孔以叶片的放射线120对称设置。 

参见图3a，3b所示，松拉筋2穿入凸台11上的拉筋孔10，由于拉筋孔10具有一定的倾斜角度，其空间形状更适合圆周的松拉筋2穿入，一定程度上缓解了安装过程中的“卡死”现象。在叶片工作时，松拉筋2在离心力的作用下向上偏移与凸台11中拉筋孔10接触，由于拉筋孔10的倾斜角，拉筋孔中间部分没有与松拉筋接触，为中空部分200，拉筋孔的两侧与松拉筋形成两个接触点300。 

参见图4a，常规叶片拉筋孔与松拉筋在工作时形成接触，仅在拉筋孔顶部形成单一接触点，此单一接触点形成的总摩擦力有限，总振动阻尼较小，且较难抵抗叶片工作时的扭转振动；参见图4b，本发明中的叶片凸台拉筋孔与松拉 筋在工作时形成两个接触点，位于拉筋孔的两侧，此两接触点大大提升了叶片与松拉筋接触的总摩擦力，总振动阻尼大幅增加，同时两个接触点在叶片扭转时相互间形成转矩，有利于减小叶片工作时发生的扭转振动，同时由于拉筋孔的倾斜，凸台的上部比下部更厚，松拉筋接触于凸台的上部时凸台可以承受更大的接触应力；参见图4c，为松拉筋与多个叶片节距下的叶片拉筋孔凸台接触情况，本发明的凸台拉筋孔与松拉筋接触点增加一倍，且由于凸台的加入松拉筋的悬空段缩短，支承增多，松拉筋的总振动阻尼及刚度都得到了提升。 

参见图5a，5b，松拉筋在工作时的离心力可以看作是沿其轴线上的均布力载荷，采用本发明中的凸台拉筋孔后，松拉筋受载荷时的支承数目增大一倍，由材料力学的相关理论可知，缩短梁的跨度或增加支承数目对于提高梁的刚度非常有效，梁的最大弯曲应力与跨度的平方成正比，扰度与跨度的四次方成正比。由此可见，采用此发明增加松拉筋接触支承后，松拉筋的弯曲应力大幅度减小，由此可带来诸多好处，如可采用刚度更大的合金钢代替钛合金作为松拉筋的材料；应力呈指数下降后可以缓解松拉筋工作时最常见的磨损现象等。 

Claims (6)

1.一种汽轮机叶片拉筋孔凸台结构，其特征在于，包括叶片（1）；叶片（1）的压力面侧和吸力面侧各设有一个凸台（11），凸台（11）从叶片（1）的压力面侧和吸力面水平伸出，凸台（11）的凸台轴线（110）为叶片（1）的周向方向，相邻叶片（1）的压力面凸台、吸力面凸台伸出长度之和为0.4-0.6倍叶片节距；凸台（11）中布置有拉筋孔（10）；拉筋孔中心线（100）与凸台轴线（110）间的夹角为2°-4°。

2.根据权利要求1所述的一种汽轮机叶片拉筋孔凸台结构，其特征在于，压力面凸台的拉筋孔和吸力面凸台的拉筋孔以叶片的放射线（120）对称设置；拉筋孔均朝向转子轴线方向倾斜。

3.根据权利要求1所述的一种汽轮机叶片拉筋孔凸台结构，其特征在于，凸台的上表面和下表面被拉筋孔隔开，上表面的厚度大于下表面的厚度。

4.根据权利要求1所述的一种汽轮机叶片拉筋孔凸台结构，其特征在于，凸台（11）设置于叶片（1）上60%-80%叶高位置处。

5.根据权利要求1所述的一种汽轮机叶片拉筋孔凸台结构，其特征在于，压力面凸台和吸力面凸台伸出长度相同。

6.一种汽轮机叶片拉筋孔凸台结构及其与松拉筋的配合结构，其特征在于，松拉筋（2）穿入权利要求1所述一种汽轮机叶片拉筋孔凸台结构的凸台的拉筋孔中；在叶片工作时，松拉筋（2）与压力面凸台的拉筋孔和吸力面凸台的拉筋孔接触，形成两个接触点。

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