CN108590775B - 一种工业汽轮机大负荷高效调节级动叶片 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种工业汽轮机大负荷高效调节级动叶片，包括叶身、过渡段、叶根和围带。在叶身的一端设有与叶身一体成型的过渡段和叶根，在叶身的另一端设有与叶身一体成型的围带，叶身为等截面叶型，叶根由两根带销钉孔的柱叉组成。叶身的叶型由4段曲线组成，4段曲线交接处切线斜率相等。本发明的高效叶片效率优于常规叶片，并且具有很好的变工况特性，其加工成本仅为一般的离散点叶型常规叶片加工成本的1/4～1/3。

Description

一种工业汽轮机大负荷高效调节级动叶片
技术领域
本发明属于叶轮机械领域，涉及一种工业汽轮机大负荷高效调节级动叶片。
背景技术
工业汽轮机是功能转换的重要设备，广泛应用于石油、化工、冶金、能源、核电、舰船等各个领域。工业汽轮机结构复杂、设计制造难度高，属于高端装备制造业。
对于工业汽轮机而言，由于其主要作为风机、压缩机和泵等耗能设备的驱动机，被驱动机的负荷特性决定了工业汽轮机变工况的特点，其工况变化范围特别广。因而工业汽轮机叶片最重要也最明显的特点就是需要有非常好的变工况性能，在不同的工况下叶片应具有较高的效率。以ABB公司为例，其叶片从1900年代号为200的叶片经过5代的升级进化，演变到1980年代号为8000的叶片，效率得以逐步提高；以GE公司为例，其叶片也由1940年的传统叶片经历5次进化演变，达到了1980年的超级叶片(super profile)。随着计算机技术和计算流体动力学的发展，汽轮机通流叶片的全三维流场优化设计己经成为可能。目前使用的汽轮机叶片型线为早年开发的常规型线，其气动性能有较大提升空间。
叶片作为汽轮机的核心部件，不仅数量多，形状复杂，而且加工要求高，其加工工作量非常大，约占汽轮机总加工量的1/4～1/3。叶片的加工工艺性很大程度上决定了汽轮机成本的高低。目前多数厂家新开发的汽轮机叶片叶型均为离散点，需要采用数控加工方法加工，增加了叶片的加工成本。
为提高工业汽轮机的热经济性，达到节能减排的目的，同时降低叶片的加工成本，亟需发明一种性能优良，加工工艺性好的工业汽轮机叶片。
发明内容
针对目前工业汽轮机调节级动叶效率有较大提升空间的现状，本发明的目的是提供一种工业汽轮机大负荷高效调节级动叶片，该叶片的气动性能、变工况性能、强度振动性能比目前使用的工业汽轮机调节级动叶片更高，而且其加工工艺性很好。
为了达到上述目的，发明了工业汽轮机大负荷高效调节级动叶片，包括叶身，所述叶身的一端设有与叶身一体成型的过渡段、叶根，所述叶身的另一端设有与叶身一体成型的围带，所述叶身为等截面叶型，所述叶根由两根带销钉孔的柱叉组成。叶根由两根带销钉孔的柱叉组成。所述叶身的叶型由4段曲线组成，分别为ab段、bc段、cd段、da段所述ab段和bc段组成压力面，且ab段为单圆弧，其半径变化范围为0.6≤R1/b≤0.8，所述bc段呈单圆弧状作为叶型前缘，其半径变化范围为0.038≤R2/b≤0.055，所述cd段为高阶样条曲线作为吸力面，所述da段为单圆弧作为尾缘，其半径范围为0.008≤R3/b≤0.012，4段曲线交接处切线斜率相等。
进一步的方案为，所述叶身满足如下规律：节弦比t/b的值为0.58≤t/b≤0.76，叶型最大厚度Cmax/b的值为0.29≤Cmax/b≤0.38，入口楔角w1的值为45°≤w1≤65°，出口楔角w2的值为10°≤w2≤14°，尾缘弯折角δ的值为15.5°≤δ≤20.5°。叶型安装角β的值为60°≤β≤85°，叶片菱形角γ的值为0°≤γ≤30°。
更进一步的方案为，所述的工业汽轮机大负荷高效调节级动叶片，其围带宽度b1/b的值为0.83≤b1/b≤1.06，围带高度h1/b的值为0.08≤h1/b≤0.11。
进一步的方案为，所述叶身高度H/b的值为0.4≤H/b≤1.4，叶身轴向宽度S/b的值为0.83≤S/b≤1.06。
更进一步的方案为，所述叶身与围带的过渡圆角R4/b的值为0.04≤R4/b≤0.07，叶身与过渡段的过渡圆角R5/b的值为0.04≤R5/b≤0.07。叶根过渡段宽度b2/b的值为1.0≤b2/b≤2.0，叶根过渡段高度h2/b的值为0.2≤h2/b≤0.26。柱叉宽度b3/b的值为0.27≤b3/b≤0.34，柱叉高度h3/b的值为0.88≤h3/b≤1.13，柱叉间距b4/b的值为0.29≤b3/b≤0.38，销孔半径R6/b的值为0.08≤R6/b≤0.13，柱叉下销孔圆心距柱叉底部高度h4/b的值为0.3≤h4/b≤0.4，销孔间距h5/b的值为0.32≤h5/b≤0.44，销孔锥度变化范围为1:25-1:150，柱叉底部设有倒角。叶身尾缘与围带、过渡段交接处的圆弧切口R7/b为0.05≤R7/b≤0.1。
本发明的工业汽轮机大负荷高效调节级动叶片，叶身采用全三维CFD方法结合人工神经网络方法和遗传算法进行气动性能优化得到的。本发明的高效叶型效率优于常规叶型，并且具有很好的变工况特性。在进汽角20°～140°，马赫数0.1-1.0及展弦比0.4～1.4的广泛范围内，其气动性能更好，变工况性能更佳、强度振动性能与常规叶片相当，不同工况下效率增益均在1％以上，随工况变化增益水平不同。本发明的叶片叶型压力面曲线为单圆弧，使叶片的压力面加工采用特制的铣刀即可一次成型，极大的提高了叶片的加工速度，降低了叶片的加工成本。据估算，本发明的高效调节级动叶片及结构的加工成本仅为一般的离散点叶型常规叶片加工成本的1/4～1/3。本发明的工业汽轮机大负荷高效调节级动叶片，其特征在于叶身、围带、过渡段和叶根为一体成型结构，叶根通过销钉定位固定在轮盘上，工作时，叶根和销钉接触压紧，起到定位作用。本发明的大负荷高效调节级动叶片具有更高的效率和更好的变工况性能，优异的叶片加工工艺性和装配性能，具有广阔的市场应用前景和竞争力。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的叶片型线结构示意图；
图3为本发明的叶片尺寸示意图；
图4为本发明的叶片结构尺寸示意图；
图5为本发明的叶片安装状态示意图；
具体实施方式
下面通过实例结合附图对本发明作进一步的描述。
本实施例为某工业汽轮机调节级动叶，具体参数为：背压为59.15bar，流量为106.9kg/s，轮周效率为90％，入口总压为83.3bar，入口总温为803.93K。
参见图1，本发明的工业汽轮机大负荷高效调节级动叶片，包括叶身2，所述叶身2的一端设有与叶身2一体成型的过渡段3、叶根4，所述叶身2的另一端设有与叶身2一体成型的围带1，所述叶身2为等截面叶型，所述叶根4由两根带销钉孔的柱叉组成。
参见图2，所述叶身2的叶型由4段曲线组成，分别为ab段、bc段、cd段、da段所述ab段和bc段组成压力面，且ab段为单圆弧，其半径变化范围为0.6≤R1/b≤0.8，所述bc段呈单圆弧状作为叶型前缘，其半径变化范围为0.038≤R2/b≤0.055，所述cd段为高阶样条曲线作为吸力面，所述da段为单圆弧作为尾缘，其半径范围为0.008≤R3/b≤0.012，4段曲线交接处切线斜率相等。
参见图3，节弦比t/b的值为0.58≤t/b≤0.76，叶型最大厚度Cmax/b的值为0.29≤Cmax/b≤0.38，入口楔角w1的值为45°≤w1≤65°，出口楔角w2的值为10°≤w2≤14°，尾缘弯折角δ的值为15.5°≤δ≤20.5°。叶型安装角β的值为60°≤β≤85°，叶片菱形角γ的值为0°≤γ≤30°。
参见图4，围带宽度b1/b的值为0.83≤b1/b≤1.06，围带高度h1/b的值为0.08≤h1/b≤0.11。叶身高度H/b的值为0.4≤H/b≤1.4，叶身轴向宽度S/b的值为0.83≤S/b≤1.06。叶身与围带的过渡圆角R4/b的值为0.04≤R4/b≤0.07，叶身与过渡段的过渡圆角R5/b的值为0.04≤R5/b≤0.07。叶根过渡段宽度b2/b的值为1.0≤b2/b≤2.0，叶根过渡段高度h2/b的值为0.2≤h2/b≤0.26。柱叉宽度b3/b的值为0.27≤b3/b≤0.34，柱叉高度h3/b的值为0.88≤h3/b≤1.13，柱叉间距b4/b的值为0.29≤b3/b≤0.38，销孔半径R6/b的值为0.08≤R6/b≤0.13，锥度值为1:15～1：150柱叉下销孔圆心距柱叉底部高度h4/b的值为0.3≤h4/b≤0.4，销孔间距h5/b的值为0.32≤h5/b≤0.44，销孔锥度变化范围为1:25-1:150，柱叉底部设有倒角。叶身尾缘与围带、过渡段交接处的圆弧切口R7/b为0.05≤R7/b≤0.1。
参见图5，叶身2、围带1、过渡段3为一体成型结构，叶根通过销钉定位固定在轮盘上，工作时，叶根和销钉接触压紧，起到定位作用。
实施例工业汽轮机使用本发明的高效调节级动叶片以后，调节级效率提高约4％，叶片加工成本相比常规高效叶片的离散叶型叶片加工成本降低70％。

Claims (3)

1.一种工业汽轮机大负荷高效调节级动叶片，包括叶身(2)，其特征在于：所述叶身(2)的一端设有与叶身(2)一体成型的过渡段(3)、叶根(4)，所述叶身(2)的另一端设有与叶身(2)一体成型的围带(1)，所述叶身(2)为等截面叶型，所述叶根(4)由两根带销钉孔的柱叉组成，所述叶身(2)的叶型由4段曲线组成，分别为ab段、bc段、cd段、da段，所述ab段和bc段组成压力面，且ab段为单圆弧，其半径变化范围为0.6≤R1/b≤0.8，所述bc段呈单圆弧状作为叶型前缘，其半径变化范围为0.038≤R2/b≤0.055，所述cd段为高阶样条曲线作为吸力面，所述da段为单圆弧作为尾缘，其半径范围为0.008≤R3/b≤0.012，4段曲线交接处切线斜率相等；
所述叶身(2)满足如下规律：节弦比t/b的值为0.58≤t/b≤0.76，叶型最大厚度Cmax/b的值为0.29≤Cmax/b≤0.38，入口楔角w1的值为45°≤w1≤65°，出口楔角w2的值为10°≤w2≤14°，尾缘弯折角δ的值为15.5°≤δ≤20.5°，叶型安装角β的值为60°≤β≤85°，叶片菱形角γ的值为0°≤γ≤30°；
所述叶身(2)高度H/b的值为0.4≤H/b≤1.4，叶身(2)轴向宽度S/b的值为0.83≤S/b≤1.06。
2.根据权利要求书1所述的工业汽轮机大负荷高效调节级动叶片，其特征在于，所述围带(1)宽度b1/b的值为0.83≤b1/b≤1.06，且围带(1)高度h1/b的值为0.08≤h1/b≤0.11。
3.根据权利要求书1所述的工业汽轮机大负荷高效调节级动叶片，其特征在于，所述叶身(2)与围带(1)的过渡圆角R4/b的值为0.04≤R4/b≤0.07，叶身(2)与过渡段(3)的过渡圆角R5/b的值为0.04≤R5/b≤0.07，过渡段(3)宽度b2/b的值为1.0≤b2/b≤2.0，过渡段(3)高度h2/b的值为0.2≤h2/b≤0.26，柱叉宽度b3/b的值为0.27≤b3/b≤0.34，柱叉高度h3/b的值为0.88≤h3/b≤1.13，柱叉间距b4/b的值为0.29≤b3/b≤0.38，销孔半径R6/b的值为0.08≤R6/b≤0.13，柱叉下销孔圆心距柱叉底部高度h4/b的值为0.3≤h4/b≤0.4，销孔间距h5/b的值为0.32≤h5/b≤0.44，销孔锥度变化范围为1:25-1:150，柱叉底部设有倒角(5)，叶身(2)尾缘与围带(1)、过渡段(3)交接处的圆弧切口R7/b为0.05≤R7/b≤0.1。
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