CN104832220A

CN104832220A - 涡轮机动叶片的叶根及轮槽结构

Info

Publication number: CN104832220A
Application number: CN201510134985.1A
Authority: CN
Inventors: 周显丁; 范小平; 钟刚云; 范志飞; 王顺德; 尹明艳; 陈铁宁; 苟小平; 蒲守武; 倪长辉
Original assignee: DEC Dongfang Turbine Co Ltd
Current assignee: DEC Dongfang Turbine Co Ltd
Priority date: 2014-12-31
Filing date: 2015-03-26
Publication date: 2015-08-12

Abstract

一种涡轮机动叶片的叶根及轮槽结构，叶片的叶根装配在叶轮的轮槽内，叶根、轮槽的轮廓型线是枞树型，枞树型叶根有四个齿，该叶根的第一齿与叶根平台之间的过渡部位的轮廓型线由一段直线和两段半径不同的圆弧光滑连接而成，连接点是切点，直线是叶根平台底面投影线的一部分，居上，大半径圆弧居中，小半径圆弧居下，大半径圆弧的半径RN1是小半径圆弧半径RN2的1.75倍；第四齿的圆角轮廓由三条半径不同的圆弧相切连接构成，按由上而下顺序，第一圆弧段半径RM1是RN2的1.13倍；第二圆弧段半径RM2是RN2的2.63倍；第三圆弧段半径RM3是RN2的1.44倍。叶根承载能力可达1000顿以上，适用于特大功率涡轮机的末级动叶片。

Description

涡轮机动叶片的叶根及轮槽结构

技术领域：

本发明涉及涡轮机叶片，尤其涉及该叶片的叶根及轮槽结构。

背景技术:

近年来随着我国GDP的快速增长，加剧了对能源的消耗，2012年我国电力装机达11.4亿千瓦，其中绝大部分为火力发电。由于大量煤炭的消耗加剧了环境的污染，因此要求我们必须提高发电效率、提高能源的利用效率。发电用汽轮机的技术也朝着高参数、大容量、高效率、高可靠性以及环保型方向发展。从最大的单机容量机组发展情况看，单机容量的增大，一是增加汽轮机的排汽口数目；或者是提高汽轮机末级叶片长度，增大末级排汽环形面积。增大末级排汽环形面积是通过增加叶片长度及安装直径来实现的，这样就会带来叶片离心力显著增大，导致叶根与轮槽的应力水平高，对叶根与轮槽的材料和结构设计带来困难。这在全转速火电汽轮机末级叶片设计中，体现得尤为明显。

目前已知的世界各大汽轮机制造厂设计的3000r/min长叶片系列中：如GE公司拥有的48〞钢叶片、国内目前投运的3000r/min国产长叶片1200mm等火电钢制叶片，离心力都没达到或超过1000吨。原有的枞树型叶根、轮槽型线设计已经不能满足更长叶片设计，离心力达1000吨或1000吨以上的强度要求。

发明内容：

本发明的目的，是提供一种涡轮机叶片的枞树型叶根及轮槽结构，该结构可达1000吨以上承载能力，为制造超长叶片提供技术支持。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种涡轮机动叶片的叶根及轮槽结构，所述叶片的叶根装配在叶轮的轮槽内，所述叶根、轮槽的轮廓型线是枞树型，所述枞树型叶根有四个齿，具有特征参数：工作齿过渡圆角半径Rr；叶根平台根部节距T0；叶根顶端处节距TA；叶根理论高度H；叶根有效高度H1；工作齿高度DA；相邻两对齿工作面的距离DB，第一齿工作面节距DA1；第二齿工作面节距DA2；第三齿工作面节距DA3；第四齿工作面节距DA4；第四齿第一圆弧段半径RM1；第四齿第二圆弧段半径RM2；第四齿第三圆弧段半径RM3；叶根齿的工作面倾角VA；叶根楔角VC；该叶根的第一齿与叶根平台之间的过渡部位的轮廓型线由一段直线和两段半径不同的圆弧光滑连接而成，连接点是切点，所述直线是叶根平台底面投影线的一部分，居上，大半径圆弧居中，小半径圆弧居下，大半径圆弧的半径RN1是小半径圆弧半径RN2的1.75倍；所述第四齿的圆角轮廓由三条半径不同的圆弧相切连接构成，按由上而下顺序，第一圆弧段半径RM1是RN2的1.13倍；第二圆弧段半径RM2是RN2的2.63倍；第三圆弧段半径RM3是RN2的1.44倍。

所述工作齿高度DA、相邻两对齿工作面的距离DB满足关系式：DA:DB＝1:2.35。

所述第四齿第一圆弧段半径RM1、第四齿第二圆弧段半径RM2、第四齿第三圆弧段半径RM3满足关系式：RM1＜RM3＜RM2。

所述工作齿过渡圆角半径Rr、工作齿高度DA满足关系式：Rr:DA＝1:1.98。

所述工作齿过渡圆角半径Rr是RN2的0.66倍；所述叶根平台根部节距T0是RN2的14.22倍；所述叶根顶端处节距TA是RN2的9.76倍；所述叶根理论高度H是RN2的17.12倍；所述叶根有效高度H1是RN2的15.95倍；所述工作齿高度DA是RN2的1.31倍；所述相邻两对齿工作面的距离DB是RN2的3.086倍；所述第一齿工作面节距DA1是RN2的7.93倍；所述第二齿工作面节距DA2是RN2的6.05倍；所述第三齿工作面节距DA3是RN2的4.16倍；所述第四齿工作面节距DA4是RN2的2.28倍。

所述叶根齿的工作面倾角VA＝45°。

所述叶根楔角VB＝24°-40°。

所述叶根与轮槽留有配合间隙A1、B1、C1、D1、E1、F1，它们的值分别为：A1＝0.359—0.585mm、B1＝0—0.04mm、C1＝0.372—0.58mm、D1＝0.401—0.603mm、E1＝0.401—0.603mm、F1＝0.409—0.635mm。

本发明的有益效果：

通过上述改进的枞树型叶根与轮槽结构，应力分布更加合理，从而成功地研制出承载离心力1000吨以上的超长叶片，用于背压为4KPa～13KPa、功率为4F-1200MW～1400MW或2F-600MW～700MW或1F-300MW～350MW、转速为3000r/min的全转速火电汽轮机55英寸末级叶片，应力不会超过材料许用值。根据本发明的设计原理，还可制造出更长、承载能力更大的涡轮机动叶片。

附图说明：

图1枞树型叶根基本尺寸示意图

图2枞树型叶根与轮槽型线匹配关系图

具体实施方式

下面以背压为4KPa～13KPa、功率为4F-1200MW～1400MW或2F-600MW～700MW或1F-300MW～350MW、转速为3000r/min的全转速火电汽轮机55英寸末级叶片为例，详细说明本发明。

如图1所示。

本发明的涡轮机动叶片的叶根及轮槽结构，所述叶片的叶根装配在叶轮的轮槽内，所述叶根、轮槽的轮廓型线是枞树型，所述枞树型叶根有四个齿，具有特征参数：工作齿过渡圆角半径Rr；叶根平台根部节距T0；叶根顶端处节距TA；叶根理论高度H；叶根有效高度H1；工作齿高度DA；相邻两对齿工作面的距离DB，第一齿工作面节距DA1；第二齿工作面节距DA2；第三齿工作面节距DA3；第四齿工作面节距DA4；第四齿第一圆弧段半径RM1；第四齿第二圆弧段半径RM2；第四齿第三圆弧段半径RM3。

本发明的第1措施是解决枞树型叶根齿的载荷分布的不均匀性，齿的载荷分布的不均匀系数的变化，与相互接触的齿对数n有关。在齿对数n＝4的情况下即能满足枞树型叶根与轮槽承载离心力1000吨或离心力大于1000吨的能力，又能使叶根齿的载荷分布的不均匀系数在合理的范围内。

本发明的第2措施是解决枞树型叶根第一齿与叶根平台过渡部位在超大离心力作用下的应力集中系数过大情况。通过计算分析，该叶根的第一齿与叶根平台之间的过渡部位的轮廓型线由一段直线和两段半径不同的圆弧光滑连接而成，连接点是切点，所述直线是叶根平台底面投影线的一部分，居上，大半径圆弧居中，小半径圆弧居下，大半径圆弧的半径RN1是小半径圆弧半径RN2的1.75倍。

所述第四齿的圆角轮廓由三条半径不同的圆弧相切连接构成，按由上而下顺序，第一圆弧段半径RM1是RN2的1.13倍；第二圆弧段半径RM2是RN2的2.63倍；第三圆弧段半径RM3是RN2的1.44倍。

这是本发明最重要的发明点，在以往的枞树型叶根型线设计中，第一齿与叶根平台过渡部位通常是一段圆弧或一条光滑曲线。第四齿圆角轮廓通常是一段圆弧或一条光滑曲线。

本发明第3措施是解决与枞树型叶根相匹配的轮槽型线下部过渡部位在超大离心力作用下的应力集中系数过大情况。通过数十种的过渡部位形状的计算分析，使用三段曲率不同的圆弧平滑连接的曲线M，所述曲线M的三段圆弧由叶根平台到轮槽型线底部分别为M1、M2、M3。如此，增大应力集中区域的曲率半径，降低其应力集中系数，使得过渡部位应力大幅下降，不超过材料的许用值。三段圆弧的曲率半径满足图示RM1＜RM3＜RM2的规律，RM1：RM3：RM2＝1:1.27:2.33。

本发明的第4措施是解决枞树型叶根根部连接的基本尺寸，见表1。

表1 叶根轮槽型线长度尺寸相对值

本发明的第5措施是解决枞树型叶根齿的高度DA，根据枞树型叶根齿接触面的挤压应力条件选择齿的高度DA，DA:DB＝1:2.35。

本发明的第6措施是解决枞树型叶根齿的过渡圆角半径Rr，根据研究结果表明，过渡圆角半径满足Rr:DA＝1:1.98关系，枞树型叶根齿拉伸(或弯曲)应力集中系数降低25％。

本发明的第7措施是解决枞树型叶根齿的工作面倾角VA，根据研究结果表明，工作面倾角VA＝45°，枞树型叶根齿弯曲应力满足强度设计要求。

如图2所示：本发明的第8措施是解决与枞树型叶根匹配的轮槽型线，在满足本发明第1—7措施的条件下，其结构特征为：枞树型叶根与轮槽型线的匹配间隙为A1＝0.359—0.585mm、B1＝0—0.04mm、C1＝0.372—0.58mm、D1＝0.401—0.603mm、E1＝0.401—0.603mm、F1＝0.409—0.635mm。

本发明的第9措施是设计枞树型叶根的楔角VB对齿的作用力分布和根部连接的应力影响如下：计算和试验表明，在楔角VB＝24°～40°的范围内，对齿的作用力分布和根部连接的应力影响不大，不会超过材料的许用值。

Claims

1.一种涡轮机动叶片的叶根及轮槽结构，所述叶片的叶根装配在叶轮的轮槽内，所述叶根、轮槽的轮廓型线是枞树型，所述枞树型叶根有四个齿，具有特征参数：工作齿过渡圆角半径Rr；叶根平台根部节距T0；叶根顶端处节距TA；叶根理论高度H；叶根有效高度H1；工作齿高度DA；相邻两对齿工作面的距离DB，第一齿工作面节距DA1；第二齿工作面节距DA2；第三齿工作面节距DA3；第四齿工作面节距DA4；第四齿第一圆弧段半径RM1；第四齿第二圆弧段半径RM2；第四齿第三圆弧段半径RM3；叶根齿的工作面倾角VA；叶根楔角VC；其特征在于，该叶根的第一齿与叶根平台之间的过渡部位的轮廓型线由一段直线和两段半径不同的圆弧光滑连接而成，连接点是切点，所述直线是叶根平台底面投影线的一部分，居上，大半径圆弧居中，小半径圆弧居下，大半径圆弧的半径RN1是小半径圆弧半径RN2的1.75倍；所述第四齿的圆角轮廓由三条半径不同的圆弧相切连接构成，按由上而下顺序，第一圆弧段半径RM1是RN2的1.13倍；第二圆弧段半径RM2是RN2的2.63倍；第三圆弧段半径RM3是RN2的1.44倍。

2.如权利要求1所述的涡轮机动叶片的叶根及轮槽结构，其特征在于，所述工作齿高度DA、相邻两对齿工作面的距离DB满足关系式：DA:DB= 1:2.35。

3.如权利要求1所述的涡轮机动叶片的叶根及轮槽结构，其特征在于，所述第四齿第一圆弧段半径RM1、第四齿第二圆弧段半径RM2、第四齿第三圆弧段半径RM3满足关系式：RM1＜RM3＜RM2。

4.如权利要求1所述的涡轮机动叶片的叶根及轮槽结构，其特征在于，所述工作齿过渡圆角半径Rr、工作齿高度DA满足关系式：Rr:DA=1:1.98。

5.如权利要求1-4任一项所述的涡轮机动叶片的叶根及轮槽结构，其特征在于，所述工作齿过渡圆角半径Rr是RN2的0.66倍；所述叶根平台根部节距T0是RN2的14.22倍；所述叶根顶端处节距TA是RN2的9.76倍；所述叶根理论高度H是RN2的17.12倍；所述叶根有效高度H1是RN2的15.95倍；所述工作齿高度DA是RN2的1.31倍；所述相邻两对齿工作面的距离DB是RN2的3.086倍；所述第一齿工作面节距DA1是RN2的7.93倍；所述第二齿工作面节距DA2是RN2的6.05倍；所述第三齿工作面节距DA3是RN2的4.16倍；所述第四齿工作面节距DA4是RN2的2.28 倍。

6.如权利要求1所述的涡轮机动叶片的叶根及轮槽结构，其特征在于，所述叶根齿的工作面倾角VA=45⁰。

7.如权利要求1所述的涡轮机动叶片的叶根及轮槽结构，其特征在于，所述叶根楔角VB=24°- 40°。

8.如权利要求1所述的涡轮机动叶片的叶根及轮槽结构，其特征在于，所述叶根与轮槽留有配合间隙A1、B1、C1、D1、E1、F1，它们的值分别为：A1=0.359—0.585mm、B1=0—0.04mm、C1=0.372—0.58mm、D1=0.401—0.603mm、E1=0.401—0.603mm、F1=0.409—0.635mm。