CN106050320B - 1000mw等级空冷汽轮发电机组的给水泵汽轮机的末级动叶片 - Google Patents

Abstract

本发明涉及1000MW等级空冷汽轮发电机组的给水系统及其给水泵汽轮机末级动叶片，该叶片有效高度为580mm，有效高度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83.03°单调减小到19.84°；从根截面到顶截面的截面积A变化规律为：5.524≥A≥1.0，从根截面到顶截面的轴向宽度Xa变化规律为：4.759≥Xa≥1.0，从根截面到顶截面的弦长b₁变化规律为：1.673≥b₁≥1.0,从根截面到顶截面的最大厚度w₁变化规律为：2.616≥w₁≥1.0。适用于功率30MW～50MW，单向排汽（1个排气口），转速2600～5800rpm的变转速、超超临界1000MW等级空冷汽轮机的100%容量空冷给水泵汽轮机。

Description

1000MW等级空冷汽轮发电机组的给水泵汽轮机的末级动叶片

技术领域

本发明涉及一种1000MW等级空冷汽轮发电机组的给水泵汽轮机末级动叶片，属于汽轮机设计技术领域。

背景技术

在超超临界一百万等级汽轮机领域，西门子等国内外厂家的设计方案是，大机是两排汽结构，配置两台50%容量的给水泵汽轮机，由2个排汽口分别向两台给水泵汽轮机供汽（见图1-1），故给水泵汽轮机的功率小，效率低，且机组占地面积大，厂房基建投资高。

空冷给水泵汽轮机是一种特殊的蒸汽轮机，特殊性表现在：它经常处于高转速，变转速，变功率工况运行，以适应大机的负荷变化，蒸汽压力低，温度低，这些运行条件极大地限制了末级动叶片的设计。且给水泵汽轮机的经济性与安全性在很大程度上与其末级的热力、气动、强度、振动设计密切相关，其中尤以末级动叶片设计难度最大，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给水泵汽轮机末级动叶片。

给水泵汽轮机的功率越大，末级动叶片就越长，机组进汽参数低、功率大、需要排汽面积大、驱动给水泵的汽轮机转速高、末级动叶片汽道高度很高、末级动叶片离心力大、应力水平超高、振动复杂、在跨音速中运行、设计难度很大。

由于冷却方式是空冷，给水泵汽轮机运行工况变化更加复杂，背压变化频繁，末级动叶片工作环境尤其恶劣——在湿蒸汽区和过渡区不停变换。这又进一步增加了末级动叶片的设计难度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题之一，是给水泵汽轮机的功率小，效率低的问题，提供一种大型汽轮机的给水系统——1000MW等级空冷汽轮发电机组的给水系统，所采用的技术方案是：

该大型汽轮机只配置一台100%的给水泵汽轮机。

一种1000MW等级空冷汽轮发电机组的给水系统，该空冷汽轮发电机组包括锅炉、主汽轮机、发电机，所述主汽轮机为1000MW等级的空冷汽轮机，用于驱动发电机；所述给水系统包括给水泵及给水泵汽轮机，所述给水泵由给水泵汽轮机驱动，向锅炉供水，所述给水泵及给水泵汽轮机均只配置一台，且给水泵汽轮机也是空冷汽轮机。

本发明所要解决的技术问题之二，是提供一种适合上述100%空冷给水泵汽轮机的末级动叶片，所采用的技术方案是：

一种1000MW等级空冷汽轮发电机组的给水泵汽轮机的末级动叶片，具有整体结构的叶根、叶身、围带和凸台拉筋，所述围带位于叶身的顶部，凸台拉筋位于叶身的腰部，叶根位于叶身的根部；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，其有效高度为H、根径为Dr；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、截面积A、轴向宽度Xa；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；其特征在于，有效高度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83.03°单调减小到19.84°；从根截面到顶截面的截面积A变化规律为：5.524≥A≥1.0，从根截面到顶截面的轴向宽度Xa变化规律为：4.759≥Xa≥1.0，从根截面到顶截面的弦长b₁变化规律为：1.673≥b₁≥1.0, 从根截面到顶截面的最大厚度w₁变化规律为：2.616≥w₁≥1.0。

所述叶身的有效高度为H=580mm、根径为Dr=1080mm。

所述围带具有背弧工作面S₁和内弧工作面P₁，背弧工作面S₁和内弧工作面P₁是相互平行的平面；围带的截面形状具有特征参数（参见图3）：背弧工作面S₁和内弧工作面P₁间的距离A₁，背弧工作面S₁和内弧工作面P₁的几何中心间的距离T1；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；35°≤B1≤54°；

围带厚度H₁满足关系式：8mm<H₁<12mm。

所述凸台拉筋具有背弧工作面S₂和内弧工作面P₂，背弧工作面S₂和内弧工作面P₂是相互平行的平面；凸台拉筋的截面形状具有特征参数（参见图4）：背弧工作面S₂和内弧工作面P₂间的距离A₂，背弧工作面S₂和内弧工作面P₂几何中心间的距离T2；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；40°≤B2≤50°；

凸台拉筋截面的最大厚度B满足关系式：

8mm≤B≤16mm。

所述叶根是4齿直线轴向装入型纵树型叶根。

本发明的技术效果是：

本发明在总结新一代超超临界1000MW等级水冷汽轮机末级叶片设计经验基础上，为满足市场对超超临界1000MW等级空冷汽轮机的100%容量给水泵汽轮机的需求，应用当代先进的设计技术，成功完成了适用于100%容量空冷给水泵汽轮机末级叶片的设计。新开发的580mm末级动叶片具有较先进的结构型式－-阻尼式自带围带，阻尼式自带整体拉筋，叶根采用大承载的直线轴向装入型纵树型叶根设计，使叶片的技术水平达到世界先进水平,提高了机组的效率，具有较高的经济性和可靠性。它不但适用于超超临界,1000MW等级空冷汽轮机的100%容量空冷给水泵汽轮机要求，而且为提高电站系统的整体经济性提供支持，采用1个排汽口的单排汽结构，将两台50%给水泵汽轮机合并为一台100%给水泵汽轮机，从而可减少一台给水泵汽轮机组，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

图1是用一台100%容量给水泵汽轮机取代2台50%容量给水泵汽轮机示意图，其中：

图1-1是原来的机组给水系统结构图；

图1-2是本发明改进后的机组给水系统结构图；

图2是本叶片的结构示意图；

图3是围带结构示意图；

图4是凸台拉筋结构示意图；

图5是凸台拉筋厚度示意图；

图6是叶身截面示意图。

具体实施方式

本发明有两个发明点，一是对机组的给水系统进行改进，二是研制出适合100%给水泵汽轮机的末级动叶片，分别详述如下。

参见图1（即图1-1、图1-2）：图1-1是原来的机组给水系统结构图，它的发电汽轮机有两个排汽口，分别向两台给水泵汽轮机供汽，驱动两台给水泵，同时向锅炉供水，习惯上将此给水系统的给水泵汽轮机称为50%给水泵汽轮机。图1-2是本发明改进后的机组给水系统结构图，它的发电汽轮机只有一个排汽口，向一台给水泵汽轮机供汽，驱动一台给水泵，向锅炉供水，习惯上将此给水系统的给水泵汽轮机称为100%给水泵汽轮机。这样可以提高给水泵汽轮机的效率，减少机组的占地面积，降低厂房基建投资。由于机组是1000MW等级的特大型空冷机组，100%给水泵汽轮机的功率也很大，给水泵汽轮机的末级动叶片很长，且也是空冷方式，工况变化复杂，其结构设计难度很大。

参见图2：本发明的给水泵汽轮机的末级动叶片，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。围带体1位于叶身3的顶部，凸台拉筋2位于叶身3的腰部，上述叶身3、叶根4、围带1、凸台拉筋2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76只叶片，当叶轮上一周的叶轮槽中均装上叶片后，就形成了大功率给水泵汽轮机的末级动叶片。叶根4是4齿直线轴向装入型纵树型叶根。

对超超临界1000MW等级空冷汽轮机的100%容量空冷给水泵汽轮机，每台大机组只需要一台100%容量空冷给水泵汽轮机，一台100%容量空冷给水泵汽轮机仅1级末级动叶片（1个排气口），只有具有大的排汽面积的给水泵汽轮机才能满足大机给水要求，同时提高整个电站经济性。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超超临界1000MW等级空冷汽轮机的100%容量空冷给水泵汽轮机，此机最适宜的设计背压为9.5Kpa，在此设计背压范围内，最终方案确定的末级动叶片汽道高H为580mm，根径Dr为1080 mm，其环形面积等于3.025m² ，以此根径和叶高为基准设计完成了给水泵汽轮机的通流。本设计以100%容量空冷给水泵汽轮机通流为设计对象，给定进口压力、焓值、流量和背压，在保证子午流道光顺的前提下，优化各级的焓降、速比和级内反动度匹配。

在整缸通流优化匹配的基础上，末级级内可控涡流型设计是一项复杂的多次循环设计过程。首先设计基本的静、动叶基型型线，按可控涡流型设计的沿叶高出气角分布，设计静、动叶的空间成型规律，再用全三维流场计算分析来优化级内流场，并进一步调整静、动叶的空间成型规律，以气动最优为设计目标。

本发明的给水泵汽轮机末级动叶片的叶身3是由若干特征截面按一特定规律迭合而成的异形体，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，参见图2～图6，具有以下特征参数（即本设计的变量定义）：

H：给水泵汽轮机末级动叶片的汽道高度，叶身3顶截面与叶身3根截面之间的距离。

Dr ：叶根的根径。

H1—围带体1厚度。

Lj—阻尼凸台拉筋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。

T1—节距：相邻两叶片同一高度围带截面在周向的安装距离。

w1—叶身2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。

T2—节距：相邻两叶片同一高度拉筋截面在周向的安装距离。

A2—拉筋工作面S2、P2之间的距离。

B2°—拉筋工作面S2、P2与X轴的水平夹角。

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。

T—节距：相邻两叶片同一高度型线截面在周向的安装距离。

W—叶根4轴向宽度。

D—叶型背弧。

E—叶型内弧。

F—叶型出汽边。

G—叶型进汽边。

（1）叶型设计，沿叶高若干个特征叶身3截面的气动设计

参见图2、图6：采用专用的通流设计程序设计了本末级叶片沿叶高各截面的基本叶型要素及安装位置，沿叶高各基本叶型的特征是：气动特征为根部为亚音速叶型、中上部为跨音速叶型、顶部为超音速叶型。基本叶型的横截面积沿高度单调减小，呈塔形变化，安装角c1由83.03°单调减小到19.84°；从根截面到顶截面的面积A变化规律为：5.524≥A≥1.0，即根截面到顶截面的面积A由5.524单调减小至1.0；从根截面到顶截面的轴向宽度Xa变化规律为：4.759≥Xa≥1.0，即根截面到顶截面的轴向宽度Xa由4.759单调减小至1.0；从根截面到顶截面的弦长b1变化规律为：1.673≥b1≥1.0，即根截面到顶截面的弦长b1由1.673单调减小至1.0；从根截面到顶截面的最大厚度w1变化规律为：2.616≥w1≥1.0，即根截面到顶截面的最大厚度w1由2.616单调减小至1.0。基本叶型沿高度单调扭转成型。基本叶型的出口几何角α1°沿高度单调可控地减小。采用全三维气动分析程序分析并优化设计了各叶型截面沿叶高的成型规律，最终实现了本叶片级流场特性的优化。

动叶片顶截面以下的叶身3部分设计了若干个典型截面型线，各典型截面之间的叶型采用型面光滑连接，高次样条插值求出。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，对叶型作了数次改进，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。

动叶片流道中的流动特性复杂，沿叶高均存在从亚音速、跨音速、超音速流动变化，型线气动特性的优劣是叶片设计成功的关键要素之一。以气动性能最佳为目标，分别设计一套静、动叶基本型线，基本型线常常不能满足叶片的结构、强度、振动设计要求，在后续的叶片的结构、强度、振动设计时，可以对基型进行相似模化设计，这样不仅可满足结构、强度、振动设计要求，而且能保证气动性能基本不变。

在完成基本叶型之上，就须进行末级叶片的流型及三维气动分析研究。流型研究主要是在整缸（至少末三级）环境下，利用准三维方法来设计级的焓降、速比、反动度沿叶高分布等流型参数。在可控涡流型设计的基础上，对静动叶进行三维空间积迭设计。静叶主要采用切向和轴向复合弯扭成型，以最高效率为目标；动叶主要采用动态重心重合且通过辐射线的扭转成型设计，以叶片在工作状态时离心力产生的弯应力（对叶身和叶根）最小及最高效率为目标。如前所述，气动设计和叶片的结构、强度、振动设计相互耦合，有时是不可调和的，先进的末级长叶片设计就是要达到叶片的气动特性和结构、强度、振动特性的良好协调，使叶片具有高的可靠性和高经济性。因此，叶片的全三维气动设计一般要经过许多方案的逐步优化得到。

（2）大离心载荷下的叶身3结构强度振动特性设计

在工作状态下，叶片各扭转变截面的离心力产生应力非常高，而且受力状态复杂，这对叶片的强度振动设计是一个极大的挑战。这一部分设计时，将受到下列因素的相互制约：

●叶片各截面型线的气动特性制约

●叶片和转子材料的强度极限制约

●叶片各截面的应力状态制约

●叶片振动调频特性制约

为克服上述主要的制约因素，保持各截面的应力水平基本相当，从而最大限度地应用材料的强度极限。在保持各截面的形状基本相似的前提下，来调整叶片的受力状态和振动特性，最终使各制约因素相互协调。采用了全三维气动和三维有限元强度弱藕合分析方法对本叶片进行了设计分析，最终优化设计了能满足气动特性和强度振动特性要求的叶身3结构。叶身3结构的强度特性为：叶身3局部最大应力小于叶片材料的强度极限，局部最大应力与根截面平均应力之比小于2.0。

（3）大变形阻尼叶片的连接结构设计

由于在工作状态下，叶片中上部分的截面相对于静止状态时有较大的扭转变形，采用结构有限元分析方法优化设计了叶片的连接结构。其特征为：设计了在叶身3上高度为Lj的位置设置凸台拉筋结构，参见图2、图4（其中0.45< Lj / H <0.65），该凸台厚度B满足8mm<B<16mm（参见图5）。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。设计了与叶身3自成一体的围带结构（参见图3），其厚度为H1（8mm<H1<12mm），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，围带工作面（S1面）与相邻叶片围带工作面（P1面）接触，产生较大的压应力F1，围带工作面与X轴（轴向）的夹角B1满足关系式：A1=T1*COSB1，35°≤B1≤54°，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。连接结构的接触转速满足关系式：0≤N1≤2400转/分。工作面压应力满足关系式：0.0126<F1≤0.055倍材料的强度极限。

Claims (5)

1.一种1000MW等级空冷汽轮发电机组的给水泵汽轮机的末级动叶片，具有整体结构的叶根、叶身、围带和凸台拉筋，所述围带位于叶身的顶部，凸台拉筋位于叶身的腰部，叶根位于叶身的根部；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，其有效高度为H、根径为Dr；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、截面积A、轴向宽度Xa；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；其特征在于，有效高度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83.03°单调减小到19.84°；从根截面到顶截面的截面积A变化规律为：5.524≥A≥1.0，从根截面到顶截面的轴向宽度Xa变化规律为：4.759≥Xa≥1.0，从根截面到顶截面的弦长b₁变化规律为：1.673≥b₁≥1.0, 从根截面到顶截面的最大厚度w₁变化规律为：2.616≥w₁≥1.0。

2.根据权利要求1所述的给水泵汽轮机的末级动叶片，其特征在于，所述叶身的有效高度为H=580mm、根径为Dr=1080mm。

3.根据权利要求1所述的给水泵汽轮机的末级动叶片，其特征在于，所述围带具有背弧工作面S₁和内弧工作面P₁，背弧工作面S₁和内弧工作面P₁是相互平行的平面；围带的截面形状具有特征参数：背弧工作面S₁和内弧工作面P₁间的距离A₁，背弧工作面S₁和内弧工作面P₁的几何中心间的距离T1；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；35°≤B1≤54°；

围带厚度H₁满足关系式：8mm<H₁<12mm。

4.根据权利要求1所述的给水泵汽轮机的末级动叶片，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，背弧工作面S₂和内弧工作面P₂是相互平行的平面；凸台拉筋的截面形状具有特征参数：背弧工作面S₂和内弧工作面P₂间的距离A₂，背弧工作面S₂和内弧工作面P₂的几何中心间的距离T2；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；40°≤B2≤50°；

凸台拉筋截面的最大厚度B满足关系式：

8mm<B<16mm。

5.根据权利要求1所述的给水泵汽轮机的末级动叶片，其特征在于，所述叶根是4齿直线轴向装入型纵树型叶根。