CN104074554B - 间接空冷末级动叶片 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种间接空冷末级动叶片，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77.06°单调减小到11.67°；从根截面到顶截面的截面积A的相对值由7.770单调减小到1.0；从根截面到顶截面的轴向宽度Xa的相对值由7.820单调减小到1.0；从根截面到顶截面的弦长b1的相对值由1.716单调减小到1.0；从根截面到顶截面的最大厚度w1的相对值由3.199单调减小到1.0。本发明采用先进的结构型式－阻尼式自带围带和整体拉筋，具有优异的动态特性和气动性能，安全可靠；叶根采用大承载的直线形枞树型叶根设计，叶片与转子结合牢固、稳定，便于装配，操作简便、快捷；具有较高的经济性和可靠性；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。

Description

间接空冷末级动叶片

技术领域

本发明涉及汽轮机的动叶片，适用于功率600MW～1200MW，转速3000rpm的亚临界、超临界、超超临界间接空冷汽轮机。

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。

空冷汽轮机一般分为直接空冷和间接空冷，间接空冷汽轮机相对于直接空冷汽轮机，其设计背压更低，在相同的质量流量下，所需末级叶片高度更长，设计难度也更大。

世界上各大汽轮机厂家均拥有自己风格的适合于间接空冷汽轮机的末级叶片。如：KWU公司在Kendal电厂已成功投运了间接空冷686MW汽轮机，该机末级叶片高668mm，圆弧枞树型叶根，型根宽230mm，自由叶片；哈汽厂在山西阳城电厂间接空冷600MW工程中采用了620mm末级叶片，根径1700mm，排气环形面积4.52m²。上述叶片属于第二、三代空冷末级叶片，结构落后，叶片的动应力高，机组经济性较差。

最近几年来，以燃煤为主的新建火力发电站逐步向高参数、大容量、高发电密度方向发展。最近的市场需求表明，以高参数（超临界、超超临界）、高发电密度（双排汽）660MW间接空冷汽轮机为代表的新一代大容量紧凑型空冷电站具有巨大的市场前景和推广应用价值。

发明内容

本发明的目的在于：以2F-660MW、4F-1200MW等级的先进的间接空冷机组作为设计目标，设计开发出的具有优良气动性能以及强度振动特性的末级动叶片。

本发明为实现其技术目的，采用的技术方案是：

一种间接空冷汽轮机末级动叶片，具有叶根和叶身，所述叶身顶部设有围带，腰部设有凸台拉筋，叶根、叶身、围带和凸台拉筋是整体结构；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；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、轴向宽度Xa、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、呈塔形变化；所述叶身的有效高度为H、根径为Dr；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77.06°单调减小到11.67°；从根截面到顶截面的截面积A的相对值由7.770单调减小到1.0；从根截面到顶截面的轴向宽度Xa的相对值由7.820单调减小到1.0；从根截面到顶截面的弦长b1的相对值由1.716单调减小到1.0；从根截面到顶截面的最大厚度w1的相对值由3.199单调减小到1.0。

所述围带具有背弧工作面S1和内弧工作面P1，S1和P1是相互平行的平面，在转速N1转/分时，围带背弧工作面S1与相邻叶片围带内弧工作面P1接触，产生压应力F1，A1为工作面S1、P1间的距离，T1为工作面S1、P1几何中心间的距离；

所述围带厚度H1满足关系式：

10＜H1＜20mm；

所述背弧工作面S1与汽轮机转子中轴线X轴的夹角B1满足关系式：

A1=T1·COSB1，30°≤B1≤50°；

所述相邻叶片的围带接触转速N1满足关系式：

0≤N1≤2500转/分；

所述工作面的压应力F1满足关系式：

0.0136＜F1≤0.054倍材料的强度极限。

所述凸台拉筋具有背弧工作面S2和内弧工作面P2，S2和P2是相互平行的平面，A2为工作面S2、P2间的距离，T2为工作面S2、P2几何中心间的距离；

所述背弧工作面S2与汽轮机转子中轴线X轴的夹角B2满足关系式：

A2=T2·COSB2，30°≤B2≤50°；

所述凸台拉筋截面最大厚度B满足关系式：

20≤B≤30mm；

所述凸台拉筋的高度Lj满足关系式：

0.5＜Lj/H＜0.75。

所述叶根为四齿直线型枞树型叶根。

本发明所产生的技术效果是：

上述结构的间接空冷汽轮机末级动叶片，采用先进的结构型式－阻尼式自带围带和整体拉筋，具有优异的动态特性和气动性能，安全可靠；叶根采用大承载的直线形枞树型叶根设计，叶片与转子结合牢固、稳定，便于装配，操作简便、快捷；它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1200MW间接空冷汽轮机，而且可推广应用于两排汽660MW间接空冷汽轮机，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

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1是本叶片的结构示意图；

图2是叶身截面示意图；

图3是围带结构示意图；

图4是拉筋结构示意图；

图5是图4的A向视图。

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。

参见图1，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，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。叶片通过叶根4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1200MW等级的间接空冷汽轮机，每台机组需要正反共四级（4个排汽口）；对660MW等级的间接空冷汽轮机，每台机组需要正反共2级（2个排汽口）；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。

本动叶片的设计载体选择间接空冷4F-1200MW等级汽轮机，此机最适宜的设计背压为10.0kPa，在此设计背压范围内，最终方案确定的末级动叶片叶身的有效高度H为1030mm，根径Dr为1905mm，其环形面积等于9.50m²，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。

如图1～5，本发明的相关变量定义如下：

H—叶身3有效高度：叶身3顶截面与叶身3根截面之间的距离。

H1—围带体1厚度。

Lj—阻尼拉筋凸台2位置高度：叶身3根截面与阻尼凸台拉筋2中心的垂直距离。

B—阻尼凸台拉筋2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。

w1—叶身3截面切向宽度（即最大厚度）。

b1—弦长：叶身截面进、出汽边的距离。

A—叶身3根截面面积。

Xa—叶身3根截面轴向宽度。

O1—叶身3根截面出口喉宽：出口边与相邻叶身3截面背弧的最小距离。

α1°—出口几何角：sin^-1(O1/T)。

c1°—叶型安装角：弦长线与周向（Y向）的夹角。

W—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，设计了本发明顶截面以下的叶身3部分若干个典型截面型线要素及安装位置，各典型截面之间的叶型采用型面光滑连接，沿叶高各基本叶型的特征是：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4强度和叶片气动性能的要求。基本叶型的横截面积沿高度单调减小，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、呈塔形变化。叶高H的相对值（叶片的某一截面高度与总的叶高值之比）由0.0单调增加到1.0；与之相对应：安装角c1的绝对值由77.06°单调减小到11.67°；从根截面到顶截面的截面积A的相对值由7.770单调减小到1.0（顶截面的截面积为1.0）；从根截面到顶截面的轴向宽度Xa的相对值由7.820单调减小到1.0（顶截面的轴向宽度为1.0）；从根截面到顶截面的弦长b1的相对值由1.716单调减小到1.0（顶截面的弦长为1.0）；从根截面到顶截面的最大厚度w1的相对值由3.199单调减小到1.0（顶截面的最大厚度为1.0）。基本叶型沿高度单调扭转成型，其出口几何角α1°沿高度单调可控地减小。

（2）围带结构—大变形阻尼叶片的连接结构设计

参见图3，与叶身3自成一体的围带1厚度为H1，厚度H1满足关系式：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，围带背弧工作面S1与相邻叶片围带内弧工作面P1接触，产生较大的压应力F1，接触转速N1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；围带内弧工作面P1与汽轮机转子中轴线X轴的夹角B1满足关系式：A1=T1·COSB1，30°≤B1≤50°；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。

（3）凸台拉筋结构—大变形阻尼叶片的连接结构设计

参见图4、图5，在叶身3上高度为Lj的位置设置凸台拉筋结构（其中0.5＜Lj/H＜0.75）凸台拉筋截面最大厚度为B，满足关系式：20≤B≤30mm，凸台拉筋2具有背弧工作面S2和内弧工作面P2，S2和P2是相互平行的平面，A2为工作面S2、P2间的距离，T2为工作面S2、P2几何中心间的距离；背弧工作面S2与汽轮机转子中轴线X轴的夹角B2满足关系式：A2=T2·COSB2，30°≤B2≤50°；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。

（4）叶根设计

叶根4为四齿直线形枞树型叶根，该结构能使叶片简便、快捷的装配在转子上，并且装配后的叶片与转子结合更加牢固、稳定。

本发明的保护范围并不局限于上述实施例，上述实施例只是本发明众多较佳实施例中的一个，本发明的保护范围应当扩展到权利要求书所披露的特征或它们的组合。

Claims (4)

1.一种间接空冷汽轮机末级动叶片，具有叶根和叶身，所述叶身顶部设有围带，腰部设有凸台拉筋，叶根、叶身、围带和凸台拉筋是整体结构；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；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、轴向宽度Xa、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、呈塔形变化；其特征在于，所述叶身的有效高度H为1030mm，根径Dr为1905mm；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77.06°单调减小到11.67°；从根截面到顶截面的截面积A的相对值由7.770单调减小到1.0；从根截面到顶截面的轴向宽度Xa的相对值由7.820单调减小到1.0；从根截面到顶截面的弦长b1的相对值由1.716单调减小到1.0；从根截面到顶截面的最大厚度w1的相对值由3.199单调减小到1.0。

2.根据权利要求1所述的间接空冷汽轮机末级动叶片，其特征在于，所述围带具有背弧工作面S1和内弧工作面P1，S1和P1是相互平行的平面，在转速N1转/分时，围带背弧工作面S1与相邻叶片围带内弧工作面P1接触，产生压应力F1，A1为工作面S1、P1间的距离，T1为工作面S1、P1几何中心间的距离；

所述围带厚度H1满足关系式：

10mm＜H1＜20mm；

所述背弧工作面S1与汽轮机转子中轴线X轴的夹角B1满足关系式：

A1=T1·COSB1，30°≤B1≤50°；

所述相邻叶片的围带接触转速N1满足关系式：

0≤N1≤2500转/分；

所述工作面的压应力F1满足关系式：

0.0136倍材料的强度极限＜F1≤0.054倍材料的强度极限。

3.根据权利要求1所述的间接空冷汽轮机末级动叶片，其特征在于，所述凸台拉筋具有背弧工作面S2和内弧工作面P2，S2和P2是相互平行的平面，A2为工作面S2、P2间的距离，T2为工作面S2、P2几何中心间的距离；

所述背弧工作面S2与汽轮机转子中轴线X轴的夹角B2满足关系式：

A2=T2·COSB2，30°≤B2≤50°；

所述凸台拉筋截面最大厚度B满足关系式：

20mm≤B≤30mm；

所述凸台拉筋的高度Lj满足关系式：

0.5＜Lj/H＜0.75。

4.根据权利要求1所述的间接空冷汽轮机末级动叶片，其特征在于，所述叶根为四齿直线型枞树型叶根。