CN113623017A - 烟气轮机动叶片组件和烟气轮机 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种烟气轮机动叶片组件和烟气轮机，所述烟气轮机动叶片组件包括动叶片(2)和用于带动所述动叶片转动的轮盘(1)，所述动叶片为环绕所述轮盘周向设置的多个且每个所述动叶片的榫齿(21)和所述轮盘的榫根(11)相啮合，在榫齿和榫根相啮合的位置，榫齿和榫根的接触面倾角不同，以使得所述烟气轮在由第一工作状态到第二工作状态的过程中，榫齿和榫根由线接触变为面接触。如此设置，减少了榫齿及榫根的应力集中，提高烟气轮机转子组件的强度储备，能够保证烟气轮机以及装置的长期稳定运行，避免在第二工作状态下由于高温膨胀、受力变形等因素的影响，导致第一工作状态下理想面接触的榫齿与榫根在第二工作状态下受力不均产生较大应力。

Description

烟气轮机动叶片组件和烟气轮机

技术领域

本公开涉及炼油、化工技术领域，具体地，涉及一种烟气轮机动叶片组件和烟气轮机。

背景技术

烟气轮机是催化裂化装置的重要节能设备，烟气轮机介质是含有催化剂粉尘颗粒的高温烟气，烟气轮机动叶片的工作环境比较恶劣，烟气轮机叶片断裂的情况时有发生。近年来，随着催化装置及机组的大型化发展，但是受到国内制造加工水平以及机组匹配的限制，烟气轮机轮盘直径无法同步增加。烟气轮机动叶片的应力水平很高，现有动叶片榫齿部位的强度储备已经无法满足需求。为了保证烟气轮机效率，通过改变动叶片叶型、降低转速等传统方式来降低动叶片应力也不具备可行性，因此对烟气轮机动叶片组件进行优化，提高动叶片组件的强度储备迫在眉睫。

国外近年来很少生产、研究烟气轮机，没有有效的措施可以借鉴。国内催化装置关于烟气轮机动叶片现有的设计理念为追求加工精度，保证榫齿与榫根在冷态下为理想的面接触状态，但是热态下由于高温膨胀、受力变形等因素的影响，会导致冷态下理想面接触的榫齿与榫根在运行热状态下受力不均产生较大的应力。

国内催化装置近年来着重于对烟气轮机结构的研究，关于应力的研究也有很多，有学者提出了对动叶片进行参数化建模对动叶片的受力状态进行优化，如论文《透平机械枞树形叶根轮缘优化方法研究》，但仅仅是优化各个参数，并没有对榫齿和榫根进行差异化设计，尚未有人对动叶片冷态与热态下接触状态的改变进行研究。

CN207033499U公布了一种烟气轮机五齿高强轮盘与动叶片连接结构，该发明试图通过增加齿数来改善动叶片的受力，但是齿数的增加会导致榫齿尺寸的增大，会带来一些新的问题，并且该发明也没考虑到榫齿与榫根接触状态的问题。

发明内容

本公开的第一个目的是提供一种烟气轮机动叶片组件，该烟气轮机动叶片组件能够解决在第二工作状态下由于高温膨胀、受力变形等因素的影响，导致第一工作状态下理想面接触的榫齿与榫根在第二工作状态下受力不均产生较大应力的问题。

本公开的第二个目的是提供一种烟气轮机，该烟气轮机包括本公开提供的烟气轮机动叶片组件。

为了实现上述目的，本公开提供一种烟气轮机动叶片组件，包括动叶片和用于带动所述动叶片转动的轮盘，所述动叶片为环绕所述轮盘周向设置的多个且每个所述动叶片的榫齿和所述轮盘的榫根相啮合，在所述榫齿和所述榫根相啮合的位置，所述榫齿和所述榫根的接触面倾角不同，以使得所述烟气轮在由第一工作状态到第二工作状态的过程中，所述榫齿和所述榫根由线接触变为面接触。

可选地，所述榫齿的接触面倾角大于所述榫根的接触面倾角。

可选地，所述榫根的接触面倾角为30°～60°，所述榫齿的接触面倾角为30°～60°。

可选地，所述榫齿的接触面倾角比所述榫根的接触面倾角大0～0.5°。

可选地，所述榫齿形成于所述动叶片的端部，且所述榫齿的两侧分别形成有多个沿径向依次设置的轮齿，所述榫根内壁的两侧分别形成有多个与所述轮齿相啮合的齿槽，所述轮齿的倾角和所述齿槽的倾角不同。

可选地，多个所述轮齿的倾角不同。

可选地，多个所述齿槽的倾角不同。

可选地，所述轮齿和所述齿槽为1～5对。

可选地，所述榫齿呈枞树型。

根据本公开的第二个方面，还提供一种烟气轮机，包括如上所述的烟气轮机动叶片组件。

通过上述技术方案，本公开提供的烟气轮机动叶片组件通过改变榫根的接触面倾角与榫齿的接触面倾角，采取差异化设计，使榫根的接触面倾角与榫齿的接触面倾角不相等，以使榫齿与榫根在第一工作状态下为线接触状态、在第二工作状态下为面接触状态，从而减少榫齿及榫根的应力集中，提高烟气轮机转子组件的强度储备，能够保证烟气轮机的长期稳定运行。

本公开的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：

图1是本公开一示例性实施方式提供的烟气轮机动叶片组件的结构示意图；

图2是本公开一示例性实施方式提供的烟气轮机动叶片组件的局部结构放大图；

图3是本公开一示例性实施方式提供的榫根与榫齿接触面挤压应力随接触面倾角变化示意图。

附图标记说明

1 轮盘 11 榫根

111 齿槽 2 动叶片

21 榫齿 211 轮齿

R 榫根的接触面倾角 r 榫齿的接触面倾角

具体实施方式

以下结合附图对本公开的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本公开，并不用于限制本公开。

在本公开中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“轴向、径向”通常是指在本公开提供的烟气轮机动叶片组件正常工作的情况下定义的，相对于轮盘1的旋转中心而言的，“内”、“外”是指相应部件轮廓的内和外。此外，本公开中使用的术语“第一”、“第二”等是为了区别一个要素和另一个要素，不具有顺序性和重要性。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。

参考图1至图2，本具体实施方式提供了一种烟气轮机动叶片组件，烟气轮机的工作温度为200℃～1200℃，可选为700℃。该烟气轮机动叶片组件包括动叶片2和用于带动动叶片2转动的轮盘1，动叶片2为环绕轮盘1周向设置的多个且每个动叶片2的榫齿21和轮盘1的榫根11相啮合。其中，在榫齿21和榫根11相啮合的位置，榫齿21和榫根11的接触面倾角不同，以使得烟气轮在由第一工作状态到第二工作状态的过程中，榫齿21和榫根11由线接触变为面接触。需要说明的是，接触面倾角指的是榫齿21与榫根11相啮合的直线段的接触齿面与水平方向的夹角，如图2所示，榫齿21的接触面倾角为r，榫根11的接触面倾角为R。另外，第一工作状态为烟气轮机动叶片组件的非工作状态，即冷状态，第二工作状态为烟气轮机动叶片组件运行时产生热量的热状态。根据热膨胀量及应力计算结果将榫根11的接触面倾角与榫齿21的接触面倾角的角度设置成不一样的角度，以使榫齿21与榫根11在冷态下为线接触状态、在运行热状态下由于受力变形等因素影响，变为理想的面接触状态，减少了榫齿21及榫根11的应力集中，避免榫齿21断裂。由此可见通过改变榫根接触面倾角与榫齿接触面倾角是对动叶片组件受力优化的重要方式。

在现有的设计中通常将榫根11的接触面倾角与榫齿21的接触面倾角设置成一样的角度，这样在冷状态下榫根11与榫齿21为理想的面接触状态，但是在热状态下由于高温膨胀、受挤压力变形等因素的影响，会导致冷状态下面接触的榫齿21与榫根11在运行热状态下受力不均而产生较大的应力，从而发生叶片断裂。需要说明的是，烟气轮机动叶片组件旋转时会产生离心力进而生成了挤压力。

通过上述技术方案，本公开提供的烟气轮机动叶片组件通过改变榫根11的接触面倾角与榫齿21的接触面倾角，采取差异化设计，使榫根11的接触面倾角与榫齿21的接触面倾角不相等，以使榫齿21与榫根11在第一工作状态下为线接触状态、在第二工作状态下为面接触状态，从而减少榫齿21及榫根11的应力集中，提高烟气轮机转子组件的强度储备，能够保证烟气轮机的长期稳定运行。

本公开中，榫齿21和榫根11的接触面倾角不同包括榫齿21的接触面倾角大于榫根11的接触面倾角的实施方式，也包括榫齿21的接触面倾角小于榫根11的接触面倾角的实施方式，作为本公开的一示例性实施方式，榫齿21的接触面倾角大于榫根11的接触面倾角。参考图3，经过应力分析发现当榫根11接触面倾角与榫齿21接触面倾角相等，且均为45°时，即R＝r＝45°，此时榫齿11、榫根21接触面的最大挤压应力为607MPa；当榫齿21的接触面倾角比榫根11的接触面倾角大0.1°时，即R＝45°，r＝45.1°，此时榫齿11与榫根21接触面的最大挤压应力为517MPa，为最低值。因此，当r-R＝0.1°时，接触面的挤压应力最小。

具体地，榫根11的接触面倾角可选为30°～60°，榫齿21的接触面倾角可选为30°～60°，具体要根据应力分析选择合适的角度。

参考图3，榫齿21的接触面倾角比榫根11的接触面倾角大0～0.5°时，榫齿21与榫根11的接触面应力是较低的，不易造成断裂。

如图2所示，榫齿21形成于动叶片2的端部，且榫齿21的两侧分别形成有多个沿径向依次设置的轮齿211，榫根11内壁的两侧分别形成有多个与轮齿211相啮合的齿槽111，轮齿211的倾角和齿槽111的倾角不同，在第一工作状态时，轮齿211与齿槽111为线接触；到第二工作状态时，轮齿211与齿槽111由线接触变为面接触。

现有技术中多个轮齿211的倾角均相等，多个齿槽111的倾角均相等，但经过应力分析发现这种情况下应力不是最低的。根据一种实施例，本公开根据热膨胀量及应力计算结果将多个轮齿211的倾角设置成不一样的角度，以使各个轮齿211与齿槽111的接触面应力达到最低值。根据另一种实施例，将多个齿槽111的倾角也设置成不一样的角度，以使各个轮齿211与齿槽111的接触面应力达到最低值，防止应力过大造成叶片断裂。

具体地，轮齿211和齿槽111可选为1～5对，图2中轮齿211和齿槽111均为3对。

在本实施方式中，如图2所示，榫齿21可以呈枞树型，在其他实施方式中，榫齿21也可以“T”型，轮齿211形成与T型结构的水平段的两侧。

另外，动叶片2的数量为20～70片，可选为58片。轮盘1直径为500mm～1500mm，可选为1380mm。

本公开的另一方面，还提供一种烟气轮机，包括上文介绍的烟气轮机动叶片组件。所述烟气轮机与上述烟气轮机动叶片组件相对于现有技术所具有的优势相同，在此不再赘述。

以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。

Claims (10)

1.一种烟气轮机动叶片组件，包括动叶片(2)和用于带动所述动叶片(2)转动的轮盘(1)，所述动叶片(2)为环绕所述轮盘(1)周向设置的多个且每个所述动叶片(2)的榫齿(21)和所述轮盘(1)的榫根(11)相啮合，其特征在于，在所述榫齿(21)和所述榫根(11)相啮合的位置，所述榫齿(21)和所述榫根(11)的接触面倾角不同，以使得所述烟气轮在由第一工作状态到第二工作状态的过程中，所述榫齿(21)和所述榫根(11)由线接触变为面接触。

2.根据权利要求1所述的烟气轮机动叶片组件，其特征在于，所述榫齿(21)的接触面倾角大于所述榫根(11)的接触面倾角。

3.根据权利要求1所述的烟气轮机动叶片组件，其特征在于，所述榫根(11)的接触面倾角为30°～60°，所述榫齿(21)的接触面倾角为30°～60°。

4.根据权利要求3所述的烟气轮机动叶片组件，其特征在于，所述榫齿(21)的接触面倾角比所述榫根(11)的接触面倾角大0～0.5°。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的烟气轮机动叶片组件，其特征在于，所述榫齿(21)形成于所述动叶片(2)的端部，且所述榫齿(21)的两侧分别形成有多个沿径向依次设置的轮齿(211)，所述榫根(11)内壁的两侧分别形成有多个与所述轮齿(211)相啮合的齿槽(111)，所述轮齿(211)的倾角和所述齿槽(111)的倾角不同。

6.根据权利要求5所述的烟气轮机动叶片组件，其特征在于，多个所述轮齿(211)的倾角不同。

7.根据权利要求5所述的烟气轮机动叶片组件，其特征在于，多个所述齿槽(111)的倾角不同。

8.根据权利要求5所述的烟气轮机动叶片组件，其特征在于，所述轮齿(211)和所述齿槽(111)为1～5对。

9.根据权利要求1所述的烟气轮机动叶片组件，其特征在于，所述榫齿(21)呈枞树型。

10.一种烟气轮机，其特征在于，包括根据权利要求1-9中任一项所述的烟气轮机动叶片组件。

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