CN1051069A - 用于反动式汽轮机叶栅的叶片装置 - Google Patents

用于反动式汽轮机叶栅的叶片装置 Download PDF

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Abstract

在一个用于汽轮机的叶片(12)中，带有一凹形 的、具有恒定曲率半径的压力侧表面(20)、和一个凸 形的、具有逐渐增大的曲率半径的负压侧表面(22)， 流体在曲率半径逐渐增大的凸形负压侧表面(22)处 流动可以加速，因而保证了薄的边界层。

Description

本发明一般地涉及到汽轮机动叶片，尤其涉及到一种新的汽轮机叶片的设计，它具有在空气动力学方面更有效的叶型。
汽轮机效率可以通过降低叶片装置的损失来改善，汽轮机效率与几个参量，诸如蒸汽条件、循环结构和叶栅内效率有关。由于性能和叶片效率含义是相同的，所以这些参量中，内效率可能是最重要的一个参量。
在设计新的调节级和反动级叶栅时要考虑的其中两个主要参量是：（1）控制径向汽流分布，使损失减到最小，和（2）改善静叶栅和动叶栅的空气动力学特性。
调节级叶片必须在一个压力比从1.2到1.5的宽的工况范围内工作，这主要是由于这级叶片运行工况是从部分进汽到全周进汽，而照这样在全周进汽时离开喷咀的蒸汽速度将为亚音速，在部分进汽处为超音速。在部分进汽时，喷咀出口的马赫数可以达到1.3水平。
通常，与冲动式叶片一样，调节级叶片高宽比小而越过动叶片的汽流偏转角大。越过动叶片的汽流偏转角可以高达140°，这取决于部分进汽度。
低的高宽比和大偏转角导致二次损失大，其损失常常可以与叶型损失量相同，且在许多情况下可以起主导作用。改善调节级叶栅特性的基本目的是使二次流动的影响减到最小程度，以便降低叶型损失。
汽轮机叶片设计中有一种情况，给定叶栅的叶片有着扭曲的型面，其几何形状沿其长度而渐变，此时调整叶片的频率就成了关键，以便在各种振型下叶片的共振频率能安全地落在与汽轮机相关的运转速度的谐振频率之间，从而不致诱发破坏性振动。
其他的叶片具有不变的叶型，即沿叶片长度不扭曲。这些叶片由于较厚因此强度较大，所以不需要调频。特别是当这些叶片用作动叶片时，它们必须有足够强度，以便运行通过临界转速区。然而，即使用这种型式的叶片，也希望保持尽可能小的宽度，因为宽度小性能较好。如果宽度降到太小，叶片就不能承受负荷或可能引起叶片破坏的应力。
在设计用于汽轮机的任何叶片时，对许多参量必须认真考虑。当设计一台新汽轮机用的叶片时，叶型设计者要靠给定的流动场下工作。该流动场由进汽角和出汽角（对通过同列相邻二叶片间的蒸汽而言）特征尺寸（gaging）尤其是透率，来确定。特征尺寸栅距是喉部宽和节距之比，“喉宽”是指一个动叶的出汽边和相邻叶片的负压侧表面之间的直线距离。而节距是指相邻两动叶出汽边之间的距离。这些参量对于具有普通技术水平的人员均是熟知的，这些参量在每个新的动叶或静叶设计中起着重要的作用。
其他一般叶片设计包括以下几个考虑因素：具有铆钉头的叶片必须让叶片铆钉头的位置尽可能靠近叶片的重心;叶片的出汽边必须非常接近平台的边缘，和叶翼剖面的重心必须尽可能靠近平台的重心，以使叶根上的离心应力减到最小程度。
本发明的主要目的是提供一种汽轮机叶片新的设计，这种设计使叶栅可靠性提高，且改善热力性能。
为此目的，本发明用于汽轮机叶片，该叶片包括：一进汽边;一出汽边;一个在进汽和出汽边之间延伸并有某一曲率半径的凹形压力侧表面;一个凸形、在进汽和出汽边之间延伸并具有某一曲率半径的负压侧表面。上述进汽边、出汽边和凹形、凸形表面构成了一个叶面，其特征在于沿着凸形负压侧表面的曲率半径从进边到出汽边不断增大，而沿着凹形压力侧表面的曲率半径实际上是不变的。
通过以下对仅作为举例而表示在附图中的具体方案的说明，本发明将变得较容易明了。附图中，
图1是某一给定叶栅的两相邻汽轮机动叶片的叶面部分的横截面视图;
图2是图1中所示的凸形和凹形表面曲率半径的特征比较图;
图3是本发明给出的顶部带有铆钉头的叶片叶形部分的顶视图，并表示出叶片铆钉头重心和叶片截面重心的相对位置。
众所周知，通常汽轮机动叶包括叶面部份、平台部分和叶根部分。其叶根部分用于将叶片安装到转子上（对于“动”叶）或安装到汽缸上（对于“静”叶）。叶根的设计和考虑的问题不是本发明的内容，所以省略了对叶根和叶片平台部分的详述。
由于本发明涉及到一个专门叶片型式，在这种叶片中从平台到叶顶叶型是不变的，图1示出的相邻两叶片的横截面图足以表示叶片的整个叶面部分。具有扭曲叶型的其他型式叶片，不同位置的横截面视图具有不同的形状。本发明着重介绍具有固定叶型的叶片形状。
参考图1，用符号12和14表示两个相邻动叶，由于两叶片形状相同，所以下面将详细叙述叶片14。
叶片14用于某一台汽轮机，且包括一个进汽边16、出汽边18，一个凹形压力侧表面20和一个凸形负压侧表面22。
根据本发明，由驻点开始（驻点处速度为零）从进汽边16到出汽边18，沿着凸形负压侧表面22的曲率半径连续增大，而沿着凹形压力侧表面20的曲率半径是不变的。
曲率不断增大和曲率不变的结构尤其适用于这样一种结构，这种结构的叶片特征尺寸在27～33%范围内，且这些叶片适用于高压、中压和低压汽轮机的前几级。特征尺寸安义为喉部宽和节距之比。在图1中“喉部”用字母“O”表示，它是动叶12的出汽边和叶片14的负压侧表面之间的距离。“节距”用“S”表示，它代表的相邻叶片12和14的出汽边之间的直线距离。
叶片的宽度用距离Wm′表示，而叶片进汽角用α表示。
根据图1所叙述的叶片被设计成与叶片表面型线相关的空气动力学损失为最小。如果沿着叶片表面汽流能加速，从而保证较小的边界层厚度。其空气动力学损失即可以减到最小程度。为了达到这目的，沿着凸形表面的曲率半径连续增大，而沿着凹形表面曲率半径保持不变，以便于加工，这已在图2中示出。
由于叶片必须在进汽角变化范围很宽的条件下工作，所以选择了包含一个大进汽边的流动角（β）。
借助变化叶片方位（γ）可以获得不同的叶片特征尺寸。对于这种叶片截面，选择的叶片方位角大约为46°±3°，以获得最佳性能。
本发明的另一种样式，该新叶片叶型可以用作一种改变，在这种改型中，现有的动叶用新设计的叶片替代，在此情况中，现有铆钉头设计可以用新叶片设计，根据本发明，设计新的叶片截面，以使现有铆钉头可以装配到叶面上而不增大叶片上的弯曲应力。
参考图3，叶片铆钉头置叠在叶片顶上，使铆钉头的重心（O′）沿着YY轴、且在叶面重心（O）的上方定位。用这种结构，在运转工况下铆钉头将产生一力矩，该力矩抵消由切向（Y-Y）的蒸汽力旋加到到叶片上的力矩，从而降低蒸汽弯曲应力，而提高叶片可靠性。
新叶片叶型也可以应用到具有整体围带，而稍有变形引起了弯曲应力的叶片上。
图3中示出的尺寸表示该模型叶片宽度，该宽度在图1中用Wm表示。新叶片截面设计可以直接用于不同的叶片宽度，只需按着W/Wm之比调整模型叶片的座标，这里W表示推荐的叶片宽度，而Wm是模型叶片宽度。
该铆钉头24具有重心O′，其位置是设Y-Y轴并在叶面重心O的上方。更尤其，铆钉头24的最小主转动力矩轴在相对于叶片X-X轴65°处，以图3中所示的尺寸、铆钉头24的重心的位置在离Y-Y轴0.305mm，叶片X-X轴上方4.0386mm处。

Claims (4)

1、汽轮机用的叶片包括：
一个进汽边(16)；
一个出汽边(18)；
一个凹形压力侧表面(20)，它在进汽边和出汽边之间延伸并具有某一曲率半径；和
一个凸形负压侧表面(22)，它在进汽边和出汽边之间延伸并具有一曲率半径，上述进汽边(16)、出汽边(18)、凸面和凹面构成叶面；
其特征在于：沿着凸形负压侧表面(22)的曲率半径从进汽边(16)到出汽边(18)逐渐增大，而沿着凹形压力侧表面(20)的曲率半径基本不变。
2、如权利要求1讲述的用于汽轮机的叶片，其特征在于：在叶面顶上构成一个铆钉头（24），它具有一个重心，该重心偏离叶片（12）的重心。
3、如权利要求2讲述的用于汽轮机的叶片，其中叶片（12）的重心是在X和Y轴的交叉点处，其特征在于：铆钉头（24）重心沿Y轴和径向方向偏离叶面重心。
4、如权利要求3讲述的用于汽轮机的叶片，其特征在于：铆钉头（24）的最小主转动力矩是在相对于叶片（22）的重心约65°角处。
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