CN111706400A - 一种燃气轮机次末级自锁动叶片 - Google Patents

一种燃气轮机次末级自锁动叶片 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种燃气轮机次末级自锁动叶片，包括：围带、叶身、平台、伸根、叶根；所述叶身为变截面扭叶片，从根部至顶部的截面面积逐渐减小，且叶身根部截面和叶身顶部截面间有相对扭转；以所述叶身的中截面最大厚度(T50％)为基准，所述叶身的工作高度与其比值(L/T50％)为20.11，根部轴向宽度与其比值(Wr/T50％)为7.03，型线根部直径与其比值(Φ/T50％)为92.00，顶部轴向宽度与其比值(Wt/T50％)为2.64。本发明公开的末级燃气轮机涡轮叶片气动效率高、强度及振动性能好，同时，整体结构设计合理，具备制造、装配便捷的特点。

Description

一种燃气轮机次末级自锁动叶片
技术领域
本发明涉及地面重型燃气轮机涡轮叶片领域，尤其涉及一种燃气轮机次末级自锁动叶片。
背景技术
燃气轮机广泛应用在舰艇、发电机组等多个领域，是重要的动力提供单元。其中，涡轮 叶片又是燃气轮机的核心部件，其设计效果直接影响燃气轮机工作效率及稳定性，其中次末 级动叶的出口气流参数对燃气轮机整体性能有着重要影响。
中国专利CN209780968U是公开了一种用于全转速火电汽轮机上的540mm次末级动叶片， 为了满足目前全转速火电汽轮机次末级动叶片的需求，提出了可靠性更高的次末级540mm叶 片，其叶片采用异形围带连接，整圈装配，枞树形叶根保证叶片连接强度，去湿措施采取进 汽边激光固熔强化技术。
综上，实际设计过程中，需要更加复合实际工作条件的叶片结构，进一步提升轮机整体 运行平稳性及运行效率。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种燃气轮机次末级自锁动叶片，能够解决上述问题。
为此目的，本发明由如下技术方案实施。
一种燃气轮机次末级自锁动叶片，包括：围带、叶身、平台、伸根和叶根；所述叶身为 变截面扭叶片，从根部至顶部的截面面积逐渐减小，且叶身根部截面和叶身顶部截面间有相 对扭转；
以所述叶身的中截面最大厚度(T50％)为基准，所述叶身的工作高度与所述叶身的中截 面最大厚度比值(L/T50％)为20.11，根部轴向宽度与所述叶身的中截面最大厚度比值(Wr/T50％) 为7.03，型线根部直径与所述叶身的中截面最大厚度比值(Φ/T50％)为92.00，顶部轴向宽度 与所述叶身的中截面最大厚度比值(Wt/T50％)为2.64。
进一步，叶身相对叶高由0％单调增加至100％；
所述叶身根部截面到叶身顶部截面的节距与弦长比值(Tblade/b)变化范围为0.421～0.965， 所述叶身根部截面到叶身顶部截面的节距与轴向宽度比值(Tblade/V)变化范围为0.434～1.606， 所述叶身根部截面到叶身顶部截面的节距与叶型截面最大厚度比值(Tblade/T)变化范围为 2.211～9.203，所述叶身根部截面到叶身顶部截面的节距与叶型截面面积比值(Tblade/A)变化 范围为0.036～0.270。
更进一步，所述叶身的安装角(βy)的变化范围为76.86°～36.57°，进口角(α)的变化范 围为54.25°～103.88°，出口角(θ)的变化范围为31.54°～26.79°。
更进一步，型线最大厚度与所述叶身的中截面最大厚度比值(T/T50％)变化范围为1.37～0.46。
进一步，所述围带的厚度与所述叶身的中截面最大厚度比值(W/T50％)为0.315～0.385， 所述围带的轴向宽度与所述叶身的中截面最大厚度比值(B/T50％)为2.85，所述围带的压力 角(θt)为47.6°～58.2°。
更进一步，相邻叶片围带间隙与所述叶身的中截面最大厚度比值(δt/T50％)为0～0.01。
进一步，所述围带为阶梯状结构，中间台阶为密封齿结构，密封齿高度与所述叶身的中 截面最大厚度比值(l/T50％)为0.496～0.607，密封齿宽度于所述叶身的中截面最大厚度比值 (h/T50％)为0.144～0.176。
进一步，所述叶身与所述围带的过渡圆角为变化圆角结构，所述过渡圆角的前缘半径R1为1～1.5mm，尾缘半径R4为1～1.5mm，压力面靠近尾缘30％～40％区域圆角半径R3为6～8mm， 吸力面靠近前缘30％～40％区域圆角半径R2为6～8mm，其余区域光滑过渡。
进一步，所述平台侧面有双阻尼销槽结构，包括第一阻尼销槽、第二阻尼销槽；
所述第一阻尼销槽长度与所述叶身的中截面最大厚度比值(Lg1/T50％)为5.67～6.94，深 度与所述叶身的中截面最大厚度比值(s/T50％)为0.350～0.438，槽底宽度与所述叶身的中截 面最大厚度比值(w1/T50％)为0.306～0.394，其设置成从槽口向槽底逐渐倾斜的外倾壁面，其 倾角(αs)为6°～8°；
所述第二阻尼销槽长度与所述叶身的中截面最大厚度比值(Lg2/T50％)为0.905～1.106， 其深度、槽底宽度及槽口向槽底外倾壁面的倾角均与所述第一阻尼销槽相同；所述第一阻尼 销槽和所述第二阻尼销结构间距与所述叶身的中截面最大厚度比值(d/T50％)为0.173～0.211。
进一步，叶根为5齿枞树型叶根，楔形角(θr)为38.5°～41.5°，齿距与所述叶身的中截 面最大厚度比值(pr/T50％)为0.39～0.48，第1齿至第5齿喉部宽度与所述叶身的中截面最 大厚度比值(δr/T50％)为1.59～0.46。
本发明具有如下优点：
本发明提供的燃机次末级自锁动叶片，采用三元流场设计技术设计而成的，沿叶高方向 具有一定的扭曲规律，即兼顾了叶片静强度要求，还使得叶片具有很好的气动性能，叶身扭 曲规律是按照三元流理论设计的，沿叶身各热力参数分布规律合理，经专业计算流体力学计 算软件CFX和Numeca等计算验证，叶片的气动效率可达95.4％。另外，该叶型具有足够的 强度性能，设计工况下的气流弯应力较小。该叶片采用整圈成组围带，工作时叶片围带贴合， 大大降低叶片的动应力。该叶片根部为枞树型叶根，装配方便，承载均匀，能使叶片和转子 结合牢固、稳定，保证了整个叶片的安全性。
附图说明
图1是本发明的整体结构主视图；
图2是本发明叶身中截面参数示意图；
图3是本发明的叶型特征参数示意图；
图4是图3中I和II局部放大图；
图5是本发明的围带及相邻围带结构图；
图6是图5中F-F截面图；
图7是本发明的围带及相邻围带间隙示意图；
图8是本发明的叶身与围带过渡变化圆角示意图；
图9是本发明平台侧面的阻尼销槽正视图；
图10是图9阻尼销槽G-G截面视图；
图11是本发明的叶根结构示意图；
图12是本发明实施例1中离心拉应力测试结果图；
图13是本发明实施例1中气动效率测试结果图。
图中：
1-围带；2-叶身；3-平台；4-伸根；5-叶根。
具体实施方式
下面结合附图1-11对发明进一步说明；
如图1至图11所示，本实施例描述的燃气轮机末级动叶片，它由围带1、叶身2、平台3、伸根4以及叶根5组成，由上至下精铸成一体。叶身2型线为变截面扭叶片，从根部至顶 部的截面面积逐渐减小，相邻两截面间有相对扭转；如图2所示，以叶身2的中截面最大厚 度T50％为基准，叶身2高度与中截面最大厚度T50％比值L/T50％为20.11，根部轴向宽度与中截 面最大厚度T50％比值Wr/T50％为7.03，型线根部直径与中截面最大厚度T50％比值Φ/T50％为92.00，顶部轴向宽度与中截面最大厚度T50％比值Wt/T50％为2.64，叶根的轴向宽度与中截面最大厚度T50％比值C/T50％为6.53，叶片围带厚度与中截面最大厚度T50％比值W/T50％为 0.315～0.385，围带轴向宽度与中截面最大厚度T50％比值B/T50％为2.85。
优选设计为，在装配叶片时，叶根2轴向装入单独的叶根槽；叶顶为整圈成组围带1； 整个叶片松装配，即相邻叶片的围带1和围带1有间隙，工作状态下通过扭转恢复，相邻叶 片的围带1和围带1接触，使叶片形成整圈成组。
优选设计为，结合图1、3、4所示，自叶身底部至顶部作任一截面Z，其高度hz与叶身2高度L的比值hz/L为Z截面的相对叶高，自叶身底部截面至顶部截面的叶身相对叶高由0％单调增加至100％，叶身2根部截面到叶身2顶部截面的节距与弦长比Tblade/b的变化范围为0.421～0.965，叶身2根部截面到叶身2顶部截面的节距与轴向宽度比Tblade/V的变化范围为0.434～1.606，叶身2根部截面到叶身顶部截面的节距与叶型截面最大厚度比Tblade/T的变化范 围为2.211～9.203，叶身2根部截面到叶身2顶部截面的节距与叶型截面面积比Tblade/A的变 化范围为0.036～0.270，安装角βy的变化范围为76.86°～36.57°，型线最大厚度与叶片中截面最 大厚度比T/T50％的变化范围为1.37～0.46，进口角α的变化范围为54.25°～103.88°，出口角θ 的变化范围为31.54°～26.79°。
结合5-7所示，相邻叶片围带间隙与基准比值δt/T50％为0～0.01。围带1的压力角θt为 47.6°～58.2°。密封齿高度与基准比值l/T50％为0.496～0.607，宽度与基准比值h/T50％为 0.144～0.176。
结合8所示，叶身2与围带1的过渡圆角为变化圆角结构，前缘半径R1为1～1.5mm，尾 缘半径R4为1～1.5mm，压力面靠近尾缘30～40％区域圆角半径R3为6～8mm，吸力面靠近前 缘30～40％区域圆角半径R2为6～8mm，其余区域光滑过渡。
结合9-10所示，平台3侧面有双阻尼销槽结构，包括第一阻尼销槽、第二阻尼销槽；第 一阻尼销槽长度与叶身2的中截面最大厚度比值Lg1/T50％为5.67～6.94，深度与叶身2的中截 面最大厚度比值s/T50％为0.350～0.438，槽底宽度与叶身2的中截面最大厚度比值w1/T50％为 0.306～0.394，其设置成从槽口向槽底逐渐倾斜的外倾壁面，其倾角αs为6°～8°；
第二阻尼销槽长度与叶身2的中截面最大厚度比值Lg2/T50％为0.905～1.106，其深度、槽 底宽度及槽口向槽底外倾壁面的倾角均与第一阻尼销槽相同；第一阻尼销槽和第二阻尼销结 构间距与叶身2的中截面最大厚度比值d/T50％为0.173～0.211。
如图11所示，叶根为5齿枞树型叶根，其楔形角θr为38.5°～41.5°，齿距与基准比值pr/T50％ 的变化范围为0.39～0.48，第1齿至第5齿喉部宽度与基准比值δr/T50％为1.59～0.46。
实施例1
基于上述技术方案，以叶身2工作高度L＝229.97mm为例，形成叶身各截面具体参数如 下表：
Figure BDA0002548396320000051
将其与传统叶片进行相同工况下对比测试，选取代表参数：离心拉应力及叶片气动效率 为比较指标，获得如图12和图13所示结果，可知传统叶片和本发明叶片强度振动以及气动 性能对比，本发明的性能明显优于传统叶片。
以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行 了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对发明的技术方案进行修改或者等同替 换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种燃气轮机次末级自锁动叶片，包括：围带(1)、叶身(2)、平台(3)、伸根(4)和叶根(5)；所述叶身(2)为变截面扭叶片，从根部至顶部的截面面积逐渐减小，且叶身根部截面和叶身顶部截面间有相对扭转；
其特征在于，以所述叶身(2)的中截面最大厚度(T50％)为基准，所述叶身(2)的工作高度与所述叶身(2)的中截面最大厚度比值(L/T50％)为20.11，根部轴向宽度与所述叶身(2)的中截面最大厚度比值(Wr/T50％)为7.03，型线根部直径与所述叶身(2)的中截面最大厚度比值(Φ/T50％)为92.00，顶部轴向宽度与所述叶身(2)的中截面最大厚度比值(Wt/T50％)为2.64。
2.根据权利要求书1所述的次末级自锁动叶片，其特征在于，叶身相对叶高由0％单调增加至100％；
所述叶身(2)根部截面到叶身(2)顶部截面的节距与弦长比值(Tblade/b)变化范围为0.421～0.965，所述叶身(2)根部截面到叶身(2)顶部截面的节距与轴向宽度比值(Tblade/V)变化范围为0.434～1.606，所述叶身(2)根部截面到叶身(2)顶部截面的节距与叶型截面最大厚度比值(Tblade/T)变化范围为2.211～9.203，所述叶身(2)根部截面到叶身(2)顶部截面的节距与叶型截面面积比值(Tblade/A)变化范围为0.036～0.270。
3.根据权利要求书2所述的次末级自锁动叶片，其特征在于，所述叶身(2)的安装角(βy)的变化范围为76.86°～36.57°，进口角(α)的变化范围为54.25°～103.88°，出口角(θ)的变化范围为31.54°～26.79°。
4.根据权利要求书3所述的次末级自锁动叶片，其特征在于，型线最大厚度与所述叶身(2)的中截面最大厚度比值(T/T50％)变化范围为1.37～0.46。
5.根据权利要求书1所述的次末级自锁动叶片，其特征在于，所述围带(1)的厚度与所述叶身(2)的中截面最大厚度比值(W/T50％)为0.315～0.385，所述围带(1)的轴向宽度与所述叶身(2)的中截面最大厚度比值(B/T50％)为2.85，所述围带(1)的压力角(θt)为47.6°～58.2°。
6.根据权利要求书5所述的次末级自锁动叶片，其特征在于，相邻叶片围带间隙与所述叶身(2)的中截面最大厚度比值(δt/T50％)为0～0.01。
7.根据权利要求书1所述的次末级自锁动叶片，其特征在于，所述围带(1)为阶梯状结构，中间台阶为密封齿结构，密封齿高度与所述叶身(2)的中截面最大厚度比值(l/T50％)为0.496～0.607，密封齿宽度于所述叶身(2)的中截面最大厚度比值(h/T50％)为0.144～0.176。
8.根据权利要求书1所述的次末级自锁动叶片，其特征在于，所述叶身(2)与所述围带(1)的过渡圆角为变化圆角结构，所述过渡圆角的前缘半径R1为1～1.5mm，尾缘半径R4为1～1.5mm，压力面靠近尾缘30％～40％区域圆角半径R3为6～8mm，吸力面靠近前缘30％～40％区域圆角半径R2为6～8mm，其余区域光滑过渡。
9.根据权利要求书1所述的次末级自锁动叶片，其特征在于，所述平台(3)侧面有双阻尼销槽结构，包括第一阻尼销槽、第二阻尼销槽；
所述第一阻尼销槽长度与所述叶身(2)的中截面最大厚度比值(Lg1/T50％)为5.67～6.94，深度与所述叶身(2)的中截面最大厚度比值(s/T50％)为0.350～0.438，槽底宽度与所述叶身(2)的中截面最大厚度比值(w1/T50％)为0.306～0.394，其设置成从槽口向槽底逐渐倾斜的外倾壁面，其倾角(αs)为6°～8°；
所述第二阻尼销槽长度与所述叶身(2)的中截面最大厚度比值(Lg2/T50％)为0.905～1.106，其深度、槽底宽度及槽口向槽底外倾壁面的倾角均与所述第一阻尼销槽相同；所述第一阻尼销槽和所述第二阻尼销结构间距与所述叶身(2)的中截面最大厚度比值(d/T50％)为0.173～0.211。
10.根据权利要求书1所述的次末级自锁动叶片，其特征在于，叶根(5)为5齿枞树型叶根，楔形角(θr)为38.5°～41.5°，齿距与所述叶身(2)的中截面最大厚度比值(pr/T50％)为0.39～0.48，第1齿至第5齿喉部宽度与所述叶身(2)的中截面最大厚度比值(δr/T50％)为1.59～0.46。
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