CN105484806B - 一种3600rpm湿冷汽轮机末级动叶片 - Google Patents

Abstract

一种3600RPM湿冷汽轮机末级动叶片，具有整体结构的叶根、叶身、围带、拉筋；叶身是由若干特征截面按一特定规律迭合而成的异形体，其特征截面的轮廓由内弧曲线和背弧曲线合围而成，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Ar；特征截面的迭合规律为沿叶高方向自根端向顶端、各截面连续光滑过渡且呈塔形变化，叶身根径为Dr、有效高度为H，其从根端截面到顶端截面，有效高度H相对值由0.0单调增加到1.0；与之相对应，从根端截面到顶端截面，安装角c1由74.23°单调减小到15.11°，弦长b1的相对值由1.32单调减小到1.0，最大厚度w1的相对值由3.58单调减小到1.0，轴向宽度Xa的相对值由4.55单调减小到1.0，截面积Ar的相对值由4.51单调减小到1.0。

Description

一种3600RPM湿冷汽轮机末级动叶片

技术领域

本发明涉及汽轮机的动叶片，适用于背压为5～12kPa、功率为100MW～300MW、转速为3600RPM的湿冷汽轮机。

背景技术

世界上有两大频率不同的电力系统，欧洲、亚洲多数国家为50Hz,采用3000RPM汽轮机，而美国、加拿大、日本、拉美和部分亚、非洲国家为60Hz,采用3600RPM汽轮机。

伴随着国内经济发展新常态，装备制造业走向世界已成为最新国家战略，李克强总理多次向世界强力推介中国装备，包括3600RPM汽轮机，适用国外60Hz电网的3600RPM汽轮机市场前景广阔，为我国汽轮机行业带来极佳的发展机遇。

与3000RPM相比，3600RPM汽轮机末级动叶片，由于转速更高，离心力就更大，从而动应力增加，保障其安全性就更难。为安全可靠，必须降低动应力，这就需要进行结构优化，导致末级动叶片结构设计难度增加。加之，末级叶片处于通流末端，易因电网波动和背压改变而降低经济性，严重时可能造成叶片喘振而断裂，所以同时保障其经济性和安全可靠性难度就更高。

迄今为止，我国一直是制造3000RPM汽轮机，尽管也知道3600RPM汽轮机的基本构造，但不知末级动叶片的具体结构，国外制造商也不愿公开该叶片的结构，只能立足自主开发。

发明内容

本发明的目的在于：瞄准国际3600RPM发电设备市场，以适用于核电、火电和燃气-蒸汽联合循环的先进性能的汽轮机为目标，开发出一种具有高经济性和高安全可靠性的3600RPM汽轮机末级动叶片。

本发明为实现其技术目的，采用的技术方案是：

一种3600RPM湿冷汽轮机末级动叶片，具有整体结构的叶根、叶身、围带、拉筋，所述围带位于叶身的顶部，叶根位于叶身的根部，拉筋位于叶身的腰部；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，其特征截面的轮廓由内弧曲线和背弧曲线合围而成，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Ar；特征截面的迭合规律为沿叶高方向自根端向顶端、各截面连续光滑过渡且呈塔形变化；所述叶身的根径为Dr、有效高度为H；其特征在于，从根端截面到顶端截面，有效高度H的相对值由0.0单调增加到1.0；与之相对应，从根端截面到顶端截面，特征参数安装角c1由74.23°单调减小到15.11°，弦长b1的相对值由1.32单调减小到1.0，最大厚度w1的相对值由3.58单调减小到1.0，轴向宽度Xa的相对值由4.55单调减小到1.0，截面积Ar的相对值由4.51单调减小到1.0。

所述围带具有围带厚度H1、背弧工作面S1和内弧工作面P1，且S1和P1是相互平行的平面，A1为工作面S1、P1之间的距离，T1为工作面S1、P1几何中心之间的距离；在转速N1转/分时，围带背弧工作面S1与相邻叶片的围带内弧工作面P1接触，产生压应力F1；

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， 10°≤B1≤50°；

所述围带工作面接触时的转速N1满足关系式：

0≤N1≤2500转/分；

所述围带工作面接触时的压应力F1满足关系式：

0.005＜F1≤0.038倍材料的强度极限。

所述拉筋具有拉筋高度Lj、截面最大厚度Bj、背弧工作面S2和内弧工作面P2，且S2和P2是相互平行的平面， A2为工作面S2、P2之间的距离，T2为工作面S2、P2几何中心之间的距离；

所述拉筋高度Lj满足关系式：

0.5＜Lj/H＜0.75；

所述截面最大厚度Bj满足关系式：

20≤Bj≤30mm；

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·COSB2，20°≤B2≤50°。

所述叶根为三齿直线型枞树形叶根。

本发明的有益效果：

上述构造的3600RPM湿冷汽轮机末级动叶片，具有高经济性和高安全可靠性。适用于核电、火电和燃气-蒸汽联合循环的先进性能的汽轮机。

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是拉筋厚度示意图，其中：图5-1是图1中拉筋2的放大图，图5-2是图5-1的A向放大图。

具体实施方式

在没有任何3600RPM末级动叶片技术资料和实物及照片的情况下，在我国成熟的3000RPM末级叶片设计经验基础上，兼顾热力、气动、强度、振动等多项性能指标，采用世界先进的大型三维工程设计软件，进行繁杂的多个关联约束条件的设计对比、参数优化，自主开发出此具有高经济性、高安全可靠性的3600RPM末级动叶片。

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，均可被其它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1，拉筋2，叶身3，叶根4。各部分是采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安装在转子外圆的轮槽中，转子上有84只轮槽，当84只叶片都装进轮槽组成一圈，就形成了完整的汽轮机末级。

本动叶片的设计载体选择3600RPM湿冷双排汽185MW等级汽轮机，此机最适宜的设计背压为9kPa，在此设计背压范围内，最终方案确定的末级动叶片有效高度H为635mm，根径Dr为1300mm，其环形面积为3.86m² ，并以此根径和叶高为基准设计了由多个叶片级次组成的低压模块。针对不同的机型，可通过组合低压模块的某几个级次，实现不同功率等级的汽轮机发电量。

如图1～图5，本发明的相关变量定义如下：

H—叶身3的有效高度，即叶身3的顶端截面与根端截面之间的距离。

H1—围带1的厚度。

Lj—拉筋2的高度，即叶身3的根端截面到拉筋2的几何中心的垂直距离。

Bj—拉筋2的厚度。

A1—围带1的两工作面S1、P1之间的距离。

B1—围带1的两工作面S1、P1与转子中轴线X轴的水平夹角。

T—节距，即叶身3在同一高度上相邻两个截面在周向（Y向）的距离。

w1—截面最大厚度。

b1—弦长，即截面的几何最大长度。

Ar—截面面积。

Xa—截面轴向宽度。

O1—喉宽，即叶身3在同一高度上相邻两个截面在出口处的最小距离。

α1°—出口几何角，大小等于sin-1(O1/T)。

c1°—叶型安装角，即弦长线与周向（Y向）的夹角。

W—叶根轴向宽度。

（1）叶型设计——沿有效高度H上若干个特征截面的气动设计

参见图1、图2，采用专用的先进的三维气动分析软件，设计了本发明叶身3部分（即叶型）的若干个特征截面的型线要素和安装位置，并沿有效高度H方向，各特征截面之间采用光滑曲面过渡连接，其叶型的气动特征是：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，通过对叶型参数多次优化改进，最终实现了叶型各个特征截面的等强度极限应力设计，既满足了叶根4的强度要求，也达到了叶身3的气动性能。其叶型的几何特征是：从根端截面到顶端截面，相邻截面的迭合规律是连续光滑过渡且呈塔形变化，有效高度H的相对值由0.0单调增加到1.0；与之相对应，从根端截面到顶端截面，安装角c1由74.23°单调减小到15.11°，弦长b1的相对值由1.32单调减小到1.0，最大厚度w1的相对值由3.58单调减小到1.0，轴向宽度Xa的相对值由4.55单调减小到1.0，截面面积Ar的相对值由4.51单调减小到1.0，出口几何角α1°单调可控的减小。

（2）围带结构——大变形阻尼叶片的连接结构设计

为控制工作状态下、离心力对叶片产生的较大扭转变形、获得适当的阻尼效果，本发明采用了工程结构三维有限元分析方法，优化了连接结构-围带的设计。

参见图1、图3，与叶身3自成一体的围带1，其围带厚度H1满足关系式：10mm＜H1＜20mm，自成一体的围带结构在气动性能上、阻止了叶身3的顶端截面处蒸汽的横向窜流和径向流动，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：0.005＜F1≤0.038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·COSB1，10°≤B1≤50°。围带1在接触状态下产生阻尼增强了叶片刚性，并在工作转速3600RPM时产生一定作用力控制住大变形的数值，大幅度降低了叶片动应力，确保了叶片安全。

（3）拉筋结构——大变形阻尼叶片的连接结构设计

为进一步控制工作状态下离心力对叶片产生的扭转变形，以及避免叶片频率与电网谐波的共振破坏，本发明采用了工程结构三维有限元分析方法，优化了连接结构-凸台拉筋的设计。

参见图1、图4及图5（即图5-1、图5-2），在叶身3上有一拉筋2，其所处位置即拉筋高度Lj，满足关系式：0.5＜Lj/H＜0.75；截面最大厚度为Bj，满足关系式：20≤Bj≤30mm；拉筋2具有背弧工作面S2和内弧工作面P2，且S2和P2是相互平行的平面， A2为工作面S2、P2之间的距离，T2为工作面S2、P2几何中心之间的距离；背弧工作面S2与汽轮机转子中轴线X轴的夹角为B2，满足关系式：A2=T2·COSB2，20°≤B2≤50°。

在工作转速3600RPM时，相邻叶片的拉筋工作面相互接触、产生一定作用力形成阻尼，阻尼既增强了叶片刚性也改善了叶片频率，使得叶片动应力降低、振动性能改善，从而确保了叶片安全可靠性。

（4）叶根设计——大刚度大承载叶片的结构设计

工作状态下，3600RPM叶片的离心力是3000RPM的1.44倍。这个离心力给叶根带来大载荷、大变形，解决的途径就是：叶根具备大承载、大刚度性能来确保叶片安全。

本发明叶根4，采用三齿直线型枞树形，满足载荷分布基本均匀，且优选叶片合金材料，满足了强度合格、裕度合理，即节约了材料成本也获得了安全保障。直线结构设计，还使得叶片加工相对简单，装配更加便捷，从而节约生产成本。

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3600RPM湿冷汽轮机末级动叶片，所述汽轮机功率为185MW，设计背压为9kPa；所述末级动叶片具有整体结构的叶根、叶身、围带及拉筋，所述围带位于叶身的顶部，叶根位于叶身的根部，拉筋位于叶身的腰部；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，其特征截面的轮廓由内弧曲线和背弧曲线合围而成，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Ar；特征截面的迭合规律为沿叶高方向自根端向顶端、各截面连续光滑过渡且呈塔形变化；所述叶身的根径为Dr、有效高度为H；其特征在于，从根端截面到顶端截面，有效高度H的相对值由0.0单调增加到1.0；与之相对应，从根端截面到顶端截面，特征参数安装角c1由74.23°单调减小到15.11°，弦长b1的相对值由1.32单调减小到1.0，最大厚度w1的相对值由3.58单调减小到1.0，轴向宽度Xa的相对值由4.55单调减小到1.0，截面积Ar的相对值由4.51单调减小到1.0；所述末级动叶片有效高度H为635mm，根径Dr为1300mm，其环形面积为3.86m² 。

2.根据权利要求1所述的汽轮机末级动叶片，其特征在于，其围带具有围带厚度H1、背弧工作面S1和内弧工作面P1，且S1和P1是相互平行的平面，A1为工作面S1、P1之间的距离，T1为工作面S1、P1几何中心之间的距离；在转速N1转/分时，围带背弧工作面S1与相邻叶片的围带内弧工作面P1接触，产生压应力F1；

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， 10°≤B1≤50°；

所述围带工作面接触时的转速N1满足关系式：

0≤N1≤2500转/分；

所述围带工作面接触时的压应力F1满足关系式：

0.005＜F1≤0.038倍材料的强度极限。

3.根据权利要求1所述的汽轮机末级动叶片，其特征在于，其拉筋具有拉筋高度Lj、截面最大厚度Bj、背弧工作面S2和内弧工作面P2，且S2和P2是相互平行的平面， A2为工作面S2、P2之间的距离，T2为工作面S2、P2几何中心之间的距离；

所述拉筋高度Lj满足关系式：

0.5＜Lj/H＜0.75；

所述截面最大厚度Bj满足关系式：

20≤Bj≤30mm；

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， 20°≤B2≤50°。

4.根据权利要求1所述的汽轮机末级动叶片，其特征在于，所述叶根为三齿直线型枞树形叶根。