CN111963252B - 变转速大流量工业汽轮机次末级动叶片及叶片组件 - Google Patents

变转速大流量工业汽轮机次末级动叶片及叶片组件 Download PDF

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Abstract

本申请涉及汽轮机技术领域，尤其是涉及一种变转速大流量工业汽轮机次末级动叶片及叶片组件，变转速大流量工业汽轮机次末级动叶片包括叶身，叶身的沿着垂直于其高度方向的截面叶型的面积、轴向宽度、型线的最大厚度以及弦长均由叶身的根部到顶部逐渐减小，且任意相邻的两个截面叶型相对扭转。变转速大流量工业汽轮机次末级动叶片包括：除了兼顾满足叶片的强度要求，而且沿叶身的高度方向的各热力参数分布规律合理，使得叶片具有很好的气动性能。

Description

变转速大流量工业汽轮机次末级动叶片及叶片组件
技术领域
本申请涉及汽轮机技术领域，尤其是涉及一种变转速大流量工业汽轮机次末级动叶片及叶片组件。
背景技术
目前，在工业驱动领域，尤其是大型乙烯、大型空分等关键领域，变转速大流量大功率的工业汽轮机需求不断增加，其高效、安全设计逐渐凸显重要性。次末级叶片运行工况恶劣，必须满足能由阻塞工况到鼓风工况下运行，无论在低背压、阻塞工况或高背压、鼓风情况下，次末级叶片的工作条件都十分恶劣；次末级叶片焓降大，需要高效型线来提高机组的效率，降低能耗。次末级叶片设计难度大，涉及到热力学、理论力学、流体力学、材料力学、材料等多个学科，技术含量高，属于汽轮机设计中的核心技术，但现有的叶片的气动性能较差，导致汽轮机的效率低、能耗高。
发明内容
本申请的目的在于提供一种变转速大流量工业汽轮机次末级动叶片及叶片组件，在一定程度上解决了现有技术中存在的叶片的气动性能差的技术问题。
本申请提供了一种变转速大流量工业汽轮机次末级动叶片，包括叶身，所述叶身的沿着垂直于其高度方向的截面叶型的面积、轴向宽度、型线的最大厚度以及弦长均由所述叶身的根部到顶部逐渐减小，且任意相邻的两个所述截面叶型相对扭转。
在上述技术方案中，进一步地，所述叶身的高度为290mm，且沿着所述叶身的高度方向由所述叶身的根部到所述叶身的顶部，所述截面叶型的面积由2081.36mm2逐渐减少至441.95mm2，所述截面叶型的轴向宽度由116.60mm逐渐减小至64.90mm，所述截面叶型的弦长由123.39mm逐渐减小至107.43mm，所述截面叶型的安装角由69.77°逐渐减小至36.89°，所述截面叶型的型线的最大厚度由19.85mm逐渐减小至5.18mm。
在上述任一技术方案中，进一步地，所述叶身的顶端面由进气侧向出气侧轴向倾斜设置且倾斜角度为θ1，20°≤θ1≤24°。
在上述任一技术方案中，进一步地，所述变转速大流量工业汽轮机次末级动叶片还包括连接于所述叶身的叶根，所述叶根的靠近所述叶身的端面由进气侧向出气侧轴向倾斜设置且倾斜角度为θ2，且6°≤θ2≤9°，所述叶根的轴向宽度为140mm。
在上述任一技术方案中，进一步地，所述变转速大流量工业汽轮机次末级动叶片还包括连接于所述叶身的叶根，所述叶根包括基体以及分别与所述基体的相对的两端相连接的第一支撑部和第二支撑部，所述第一支撑部与所述基体、所述第二支撑部与所述基体均呈T型，所述第一支撑部与所述叶身相连接。
在上述任一技术方案中，进一步地，所述叶身开设有拉金孔，且沿着所述叶身的径向方向，所述拉金孔的截面的直径为9.5mm～12.5mm。
在上述任一技术方案中，进一步地，所述叶身的进气侧形成为激光淬硬区域，所述的叶身的激光淬硬区域的径向长度为250mm～270mm。
本申请还提供了一种叶片组件，包括上述任一技术方案所述的变转速大流量工业汽轮机次末级动叶片，因而，具有该变转速大流量工业汽轮机次末级动叶片的全部有益技术效果，在此，不再赘述。
在上述任一技术方案中，进一步地，所述变转速大流量工业汽轮机次末级动叶片的数量为多个，多个所述变转速大流量工业汽轮机次末级动叶片顺次排布并形成环形结构，且沿着所述环形结构的延伸方向，至少每两个所述变转速大流量工业汽轮机次末级动叶片通过松拉金相连接。
在上述任一技术方案中，进一步地，任意相邻的两个所述变转速大流量工业汽轮机次末级动叶片的叶根之间设置有叶根插片。
与现有技术相比，本申请的有益效果为：
本申请提供的变转速大流量工业汽轮机次末级动叶片，除了兼顾满足叶片的强度要求，而且沿叶身高度方向的各热力参数分布规律合理，使得叶片具有很好的气动性能。
本申请提供的叶片组件，气动效率高、强度性能好、减振性能好，结构合理，装配方便。
附图说明
为了更清楚地说明本申请具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的变转速大流量工业汽轮机次末级动叶片的结构与尺寸参数示意图；
图2为本申请实施例提供的相邻的两个变转速大流量工业汽轮机次末级动叶片与松拉金安装示意图；
图3为本申请实施例提供的变转速大流量工业汽轮机次末级动叶片的沿着垂直其高度方向的各截面叶型的示意图；
图4为本申请实施例提供的变转速大流量工业汽轮机次末级动叶片的沿着垂直其高度方向的各截面叶型的型线的示意图；
图5为本申请实施例提供的叶根插片的周向视图；
图6为本申请实施例提供的叶片组件的结构示意图。
附图标记：
1-叶身，11-拉金孔，12-激光淬硬区域，2-叶根，21-基体，22-第一支撑部，23-第二支撑部，3-叶根插片，100-变转速大流量工业汽轮机次末级动叶片，200-松拉金。
具体实施方式
下面将结合附图对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。
通常在此处附图中描述和显示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。
基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
下面参照图1至图6描述根据本申请一些实施例所述的变转速大流量工业汽轮机次末级动叶片100及叶片组件。
实施例一
参见图1至图3所示，本申请的实施例提供了一种变转速大流量工业汽轮机次末级动叶片100，包括叶身1，叶身1的沿着垂直于其高度方向的截面叶型的面积、轴向宽度、型线的最大厚度以及弦长均由叶身1的根部到顶部逐渐减小，且任意相邻的两个截面叶型相对扭转。
采用全三维气动设计方法，基于可控涡轮设计理论，控制叶身1反动度沿叶身1的高度方向分布更加均匀，使得出口气流参数更加均匀，减小了气动损失，提高了效率，此外，根据风洞试验结果，本变转速大流量工业汽轮机次末级动叶片100属于亚音速和跨音速结合的高效叶型，减小了叶型损失，提高了效率。
可见，沿叶身1的高度方向的各热力参数分布规律合理，使得叶片具有很好的气动性能，进而使得例如应用本叶片的汽轮机的效率高、能耗少，增加了市场的竞争力。
进一步，优选地，如图1和图2所示，叶身1的高度L为290mm，且沿着叶身1的高度方向由叶身1的根部到叶身1的顶部，截面叶型的面积由2081.36mm2逐渐减少至441.95mm2，截面叶型的轴向宽度B由116.60mm逐渐减小至64.90mm，截面叶型的弦长b由123.39mm逐渐减小至107.43mm，截面叶型的安装角β由69.77°逐渐减小至36.89°，截面叶型的型线的最大厚度Dmax由19.85mm逐渐减小至5.18mm。
上述变化规律是经专业计算流体动力学计算软件Numeca和CFX等计算验证，既能满足强度和振动的要求，而且具有良好的气动性能，此外，叶身1的扭曲规律既兼顾了沿叶身1的高度方向的等强度设计原则，而且沿叶身1的各热力参数分布规律合理。
具体地，如图3所示，沿着叶身1的高度方向选择几个截面叶型并给出对应的每一个截面叶型的参数如下表一所示(具体包括轴向宽度B、弦长b、安装角β、型线最大厚度Dmax以及相对叶高等参数，其中，相对叶高为截面高度与叶身1的高度L的比值)：
Figure BDA0002665134480000061
Figure BDA0002665134480000071
表一沿着叶身1的高度方向的几个截面叶型参数
采用上述结构参数，在保证叶片外形结构尺寸满足设计要求的同时，还可使叶片容易装配。
在该实施例中，优选地，如图1和图2所示，叶身1开设有拉金孔11，此拉金孔11是为了安装松拉金200，在工作状态下，叶片受离心力和汽流力作用，松拉金200与拉金孔11相互摩擦与碰撞，有效降低叶片的动应力，提高了叶片的抗振性能。
其中，可选地，沿着叶身1的径向方向，拉金孔11的横截面为圆形，拉金孔11的横截面的直径为9.5mm～12.5mm。
在该实施例中，优选地，如图1所示，叶身1的进气侧形成为激光淬硬区域12，增加叶身1的进气侧的耐冲击性能，有助于延长叶身1的使用寿命。
其中，可选地，叶身1的激光淬硬区域12的径向长度L1为250mm～270mm。
在该实施例中，优选地，如图1所示，叶身1的顶端面由进气侧向出气侧轴向倾斜设置且倾斜角度为θ1，20°≤θ1≤24°，该角度既满足了叶片的焓降要求，实现了功能转换，又有利于实现叶片的高效率。
在该实施例中，优选地，如图1、图2和图5所示，变转速大流量工业汽轮机次末级动叶片100还包括连接于叶身1的叶根2，此处注意，可选地，叶身1与叶根2模锻成一体，整体强度高，成型方便。
叶根2包括基体21以及分别与基体21的相对的两端相连接的第一支撑部22和第二支撑部23；其中，第一支撑部22靠近叶身1设置；第一支撑部22与基体21、第二支撑部23与基体21均呈T型，结构简单，即T型叶根2的好处在于，加工和装配方便，两边带有两个突肩，减少轮缘的弯应力，此外还能够增加叶片的强度。
其中，可选地，叶根2的轴向宽度W为140mm。
在该实施例中，优选地，如图1所示，叶根2的靠近叶身1的端面也即第一支撑部22的靠近叶身1的端面由进气侧向出气侧轴向倾斜设置且倾斜角度为θ2，且6°≤θ2≤9°，该角度既满足了叶片的焓降要求，实现了功能转换，又有利于实现叶片的高效率。
综上，本变转速大流量工业汽轮机次末级动叶片100具有气动效率高、强度性能好、减振效果佳的等优点，同时加工制造成本低，装配方便、结构稳定的特点。可在背压5kPa-40Pa，转速2400rpm-4000rpm下安全运行，可以广泛应用于十万等级以上超大型空分装置用工业汽轮机、150万吨/年乙烯装置用等大型工业汽轮机中，具有广阔的市场应用前景。
实施例二
本申请的实施例还提供一种叶片组件，包括上述任一实施例所述的变转速大流量工业汽轮机次末级动叶片100，因而，具有该变转速大流量工业汽轮机次末级动叶片100的全部有益技术效果，在此，不再赘述。
在该实施例中，优选地，如图6所示，所述变转速大流量工业汽轮机次末级动叶片100的数量为60个，60个所述变转速大流量工业汽轮机次末级动叶片100顺次排布并形成环形结构，且沿着所述环形结构的延伸方向，每12个所述变转速大流量工业汽轮机次末级动叶片100通过松拉金200相连接。
根据以上描述的结构可知，在安装时，松拉金200穿过拉金孔11，松拉金200与拉金孔11内部接触，一段松拉金200通过拉金孔11同时连接12只叶片，将叶片成组，整圈叶片被分成5个叶片组。在工作状态下，叶片在离心力的作用下，叶身1发生扭转，拉金孔11与松拉金200的接触面积与接触压力增大，叶片成组效果增强，进而提高叶片的刚性，降低动应力。
其中，可选地，沿着叶身1的径向方向，松拉金200的横截面为圆形，且松拉金200的横截面的直径为10mm～12mm。
在该实施例中，优选地，如图1至图3所示，任意相邻的两个所述变转速大流量工业汽轮机次末级动叶片100的叶根2之间设置有叶根插片3，补偿叶根2的周向不足，叶根的周向距离小，更方便于叶根的加工与安装，即解决了现有技术中的末叶片装配需要打入锁紧螺杆，破坏转子结构，不利于叶片的更换和转子的维修的问题。
其中，叶根插片3的轴向宽度W1与叶根2的W相同，同为140mm，且叶根插片3的形状与叶根2的形状相适配，即沿着叶根2的高度方向，叶根插片3的截面与叶根2的截面相同。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种变转速大流量工业汽轮机次末级动叶片，其特征在于，包括叶身，所述叶身的沿着垂直于其高度方向的截面叶型的面积、轴向宽度、型线的最大厚度以及弦长均由所述叶身的根部到顶部逐渐减小，且任意相邻的两个所述截面叶型相对扭转；
所述叶身的高度为290mm，且沿着所述叶身的高度方向由所述叶身的根部到所述叶身的顶部，所述截面叶型的面积由2081.36mm2逐渐减少至440.54mm2，所述截面叶型的弦长由116.60mm逐渐减小至64.90mm，所述截面叶型的轴向宽度由123.39mm逐渐减小至107.43mm，所述截面叶型的安装角由69.77°逐渐减小至36.89°，所述截面叶型的型线的最大厚度由19.85mm逐渐减小至5.18mm；
沿所述叶身的高度方向包括9个截面叶型，9个所述截面叶型分别对应截面A-A、截面B-B、截面C-C、截面D-D、截面E-E、截面F-F、截面G-G、截面H-H和截面I-I；
所述截面A-A对应的截面叶型位于所述叶身0mm的高度处，其截面叶型的面积为2081.36mm2，轴向宽度为123.39mm，弦长为116.6mm，型线的最大厚度为19.85mm，安装角为69.77°；
所述截面B-B对应的截面叶型位于所述叶身24.6mm的高度处，其截面叶型的面积为1970.02mm2，轴向宽度为121.76mm，弦长为112.63mm，型线的最大厚度为19.64mm，安装角为67.05°；
所述截面C-C对应的截面叶型位于所述叶身65.6mm的高度处，其截面叶型的面积为1706.01mm2，轴向宽度为118.97mm，弦长为105.56mm，型线的最大厚度为18.12mm，安装角为62.57°；
所述截面D-D对应的截面叶型位于所述叶身106.6mm的高度处，其截面叶型的面积为1415.96mm2，轴向宽度为116.54mm，弦长为98.41mm，型线的最大厚度为16.03mm，安装角为57.91°；
所述截面E-E对应的截面叶型位于所述叶身147.6mm的高度处，其截面叶型的面积为1097.57mm2，轴向宽度为114.24mm，弦长为91.47mm，型线的最大厚度为13.25mm，安装角为53.4°；
所述截面F-F对应的截面叶型位于所述叶身188.6mm的高度处，其截面叶型的面积为722.66mm2，轴向宽度为111.91mm，弦长为84.07mm，型线的最大厚度为8.82mm，安装角为48.76°；
所述截面G-G对应的截面叶型位于所述叶身229.6mm的高度处，其截面叶型的面积为547.64mm2，轴向宽度为109.79mm，弦长为76.29mm，型线的最大厚度为6.79mm，安装角为43.94°；
所述截面H-H对应的截面叶型位于所述叶身270.6mm的高度处，其截面叶型的面积为486.94mm2，轴向宽度为108.1mm，弦长为68.46mm，型线的最大厚度为6.1mm，安装角为39.09°；
所述截面I-I对应的截面叶型位于所述叶身290mm的高度处，其截面叶型的面积为440.54mm2，轴向宽度为107.43mm，弦长为64.9mm，型线的最大厚度为5.18mm，安装角为36.89°；
所述叶身的进气侧形成为激光淬硬区域，所述的叶身的激光淬硬区域的径向长度为250mm~270mm。
2.根据权利要求1所述的变转速大流量工业汽轮机次末级动叶片，其特征在于，所述叶身的顶端面由进气侧向出气侧轴向倾斜设置且倾斜角度为θ1，20°≤θ1≤24°。
3.根据权利要求1所述的变转速大流量工业汽轮机次末级动叶片，其特征在于，所述变转速大流量工业汽轮机次末级动叶片还包括连接于所述叶身的叶根，所述叶根的靠近所述叶身的端面由进气侧向出气侧轴向倾斜设置且倾斜角度为θ2，且6°≤θ2≤9°，所述叶根的轴向宽度为140mm。
4.根据权利要求1所述的变转速大流量工业汽轮机次末级动叶片，其特征在于，所述变转速大流量工业汽轮机次末级动叶片还包括连接于所述叶身的叶根，所述叶根包括基体以及分别与所述基体的相对的两端相连接的第一支撑部和第二支撑部，所述第一支撑部与所述基体、所述第二支撑部与所述基体均呈T型，所述第一支撑部与所述叶身相连接。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的变转速大流量工业汽轮机次末级动叶片，其特征在于，所述叶身开设有拉金孔，且沿着所述叶身的径向方向，所述拉金孔的截面的直径为9.5mm~12.5mm。
6.一种叶片组件，其特征在于，包括权利要求1至5中任一项所述的变转速大流量工业汽轮机次末级动叶片；
所述变转速大流量工业汽轮机次末级动叶片的数量为多个，多个所述变转速大流量工业汽轮机次末级动叶片顺次排布并形成环形结构，且沿着所述环形结构的延伸方向，至少每两个所述变转速大流量工业汽轮机次末级动叶片通过松拉金相连接；
任意相邻的两个所述变转速大流量工业汽轮机次末级动叶片的叶根之间设置有叶根插片。
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