CN114320479B - 动叶片设计方法、动叶片及驱动空分压缩机的汽轮机 - Google Patents

Abstract

本申请涉及汽轮机动叶片设备技术领域，尤其是涉及一种动叶片设计方法、动叶片及驱动空分压缩机的汽轮机。该动叶片设计方法包括以下步骤：将动叶片设计为包括叶根、叶身和围带，将叶身和叶根作为基础部；将轮盘组件设计为包括轮盘及环绕轮盘的多个动叶片；保持轮盘组件的基础部不变，不断调整围带的参数，求轮盘组件的避开三重点的共振转速避开区间；直至目标运行区间落入轮盘组件的共振转速避开区间，将动叶片设计结果确定为轮盘组件所对应的动叶片。动叶片由动叶片设计方法设计而成。驱动空分压缩机的汽轮机包括动叶片。动叶片设计方法、动叶片和驱动空分压缩机的汽轮机，将仅在特定运行区间运行的定型叶片改进为满足各种运行区间的通用叶片。

Description

动叶片设计方法、动叶片及驱动空分压缩机的汽轮机

技术领域

本申请涉及汽轮机动叶片设备技术领域，尤其是涉及一种动叶片设计方法、动叶片及驱动空分压缩机的汽轮机。

背景技术

整圈自锁阻尼叶片具有良好的降低共振动应力的性能，整圈自锁阻尼叶片的基本结构是单片结构在叶顶自带围带。

然而目前通常是针对每个使用场合的需求重新针对性地设计整圈自锁阻尼叶片，设计成本较高且设计周期较长，造成厂家动叶片生产成本较高。

发明内容

本申请的目的在于提供一种动叶片设计方法、动叶片及驱动空分压缩机的汽轮机，以在一定程度上解决现有技术中存在的动叶片设计成本过高且设计效率较低，导致动叶片的设备成本过高的技术问题。

本申请提供了一种动叶片设计方法，包括以下步骤：

将动叶片设计为包括叶根、叶身和围带，所述叶根和所述围带分别与所述叶身的底部和顶部相连接，将所述叶身和所述叶根作为基础部；

将轮盘组件设计为包括转子的轮盘及环绕所述转子的轮盘设置的多个所述动叶片，每个所述动叶片的所述叶根与所述转子的轮盘相连接，每相邻的两个所述动叶片的所述围带相抵接或留有初始间隙；

确定目标运行区间；

保持所述轮盘组件的基础部不变，调整所述轮盘组件的围带的参数，得到待定轮盘组件；

求取所述待定轮盘组件的避开共振三重点的共振转速避开区间；

判断所述目标运行区间是否落入所述待定轮盘组件的避开共振三重点的共振转速避开区间，如果所述目标运行区间没有落入所述待定轮盘组件的避开共振三重点的共振转速避开区间，则返回保持所述轮盘组件的基础部不变的步骤；

直至所述目标运行区间落入所述待定轮盘组件的避开共振三重点的共振转速避开区间，将所述待定轮盘组件作为选定轮盘组件；

将所述动叶片设计结果确定为所述选定轮盘组件所对应的所述动叶片。

在上述技术方案中，进一步地，所述求取所述待定轮盘组件的避开共振三重点的共振转速避开区间的步骤具体包括以下步骤：

求取所述待定轮盘组件避开共振三重点的共振转速避开区间。

在上述任一技术方案中，进一步地，所述求取所述待定轮盘组件避开共振三重点的共振转速避开区间的步骤具体包括以下步骤：

确定K阶工频倍频线和K+1阶工频倍频线，其中，K为正整数；

分别获取每种所述轮盘组件的第一固有频率曲线和第二固有频率曲线，所述第一固有频率曲线为每种所述轮盘组件的N节径的固有频率曲线，所述第二固有频率曲线为每种所述轮盘组件的N+1节径的固有频率曲线，N等于K；

求取每种所述轮盘组件的第一交点，所述第一交点为K阶工频倍频线与每种所述轮盘组件的所述第一固有频率曲线的交点；

求取每种所述轮盘组件的第二交点，所述第二交点为K+1阶工频倍频线与每种所述轮盘组件的所述第二固有频率曲线的交点；

将每种所述轮盘组件的避开共振三重点的共振转速避开区间选定为所述第一交点与所述第二交点之间转速区间。

在上述任一技术方案中，进一步地，所述第一固有频率曲线为N节径的任一阶振动固有频率曲线。

在上述任一技术方案中，进一步地，所述第二固有频率曲线为N+1节径的任一阶振动固有频率曲线。

在上述任一技术方案中，进一步地，调整所述轮盘组件的围带的厚度参数。

在上述任一技术方案中，进一步地，所述保持所述轮盘组件的基础部不变的步骤之前还包括以下步骤：

选定一种所述基础部。

在上述任一技术方案中，进一步地，将所述动叶片设计为还包括凸台，所述凸台连接于所述叶身的侧壁，将所述叶根、所述叶身和所述凸台作为所述基础部，每相邻的两个所述动叶片的所述凸台相抵接或留有初始间隙。

本申请还提供了一种动叶片，包括上述任一技术方案所述的动叶片设计方法，因而，具有该动叶片设计方法的全部有益技术效果，在此，不再赘述。

本申请还提供了一种驱动空分压缩机的汽轮机，包括上述任一技术方案所述的动叶片，因而，具有该动叶片的全部有益技术效果，在此，不再赘述。

与现有技术相比，本申请的有益效果为：

本申请提供的动叶片设计方法，通过保持叶身和叶根不变，仅对围带进行调整，以得到能够在目标运行范围进行工作的动叶片，相较于传统的动叶片设计方法，设计效率显著提高，生产设计成本显著降低。

从而该动叶片设计方法，便于根据使用场合提出的目标运行区间，通过调整围带的参数，灵活且快捷地调整动叶片的安全运行区间，在此基础上，如果使用者提出多种目标运行区间的需求，能够快捷地设计出多种可替换地使用的动叶片，仅需告知使用者设计出的每种动叶片所对应的运行区间，即可满足使用者的使用需求，设计出的动叶片能够满足动应力小、高转速、变转速、大流量以及高效率的优势，不仅简化了叶片设计难度和工序，而且有利于降低厂商的采购成本。

本申请提供的动叶片，由上述的动叶片设计方法设计而成，因而具有该动叶片设计方法的所有有益效果。

本申请提供的驱动空分压缩机的汽轮机，包括上述的动叶片，因而能够实现该动叶片的所有有益效果。

此外，某些压缩机，特别是空分压缩机在实际工作中变转速范围窄，又对效率和功率要求较高，且这类压缩机受到生产厂家及使用条件的影响会发生工作转速带的明显平移，通过包括该动叶片的汽轮机驱动空分压缩机，能够通过对围带进行分档调整，灵活应对工作转速带平移的情况，进一步降低设计成本并缩短设计周期，降低动叶片的设计、生产、采购和使用成本。

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动叶片设计方法的原理分析图；

图2为本申请实施例提供的动叶片设计方法所设计出的动叶片在使用状态下的第一示意图；

图3为本申请实施例提供的动叶片设计方法所设计出的动叶片在使用状态下的第二示意图。

附图标记：

1-动叶片；10-叶身；11-围带；12-凸台；13-叶根。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，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发明和简化描述，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发明的限制。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。

在本发明的描述中，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发明中的具体含义。

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动叶片设计方法包括以下步骤：

步骤S100，将动叶片1设计为包括叶根13、叶身10和围带11，叶根13和围带11分别与叶身10的底部和顶部相连接，将叶身10和叶根13作为基础部；

步骤S200，将轮盘组件设计为包括转子的轮盘及环绕转子的轮盘设置的多个动叶片1，每个动叶片1的叶根13与转子的轮盘相连接，每相邻的两个动叶片1的围带11相抵接；

步骤S300，确定目标运行区间；

步骤S400，保持轮盘组件的基础部不变，调整轮盘组件的围带11的参数，得到待定轮盘组件；

步骤S500，求取待定轮盘组件的避开共振三重点的共振转速避开区间；

步骤S600，判断目标运行区间是否落入待定轮盘组件的避开共振三重点的共振转速避开区间，如果目标运行区间没有落入待定轮盘组件的避开共振三重点的共振转速避开区间，则返回步骤400；

步骤S700，直至目标运行区间落入待定轮盘组件的避开共振三重点的共振转速避开区间，将待定轮盘组件作为选定轮盘组件；

步骤S800，将动叶片设计结果确定为选定轮盘组件所对应的动叶片。

在该技术方案中，在步骤S100中和步骤S200中，由于动叶片1在实际使用过程中，需要将多个动叶片1环绕转子的轮盘设置，并将的叶根13均连接于汽轮机的转子的轮盘上，每相邻的两个动叶片1的围带11相抵接或留有初始间隙。从而当转子处于静止的状态下，轮盘组件的相邻动叶片1的围带11之间为零间隙或者留有初始间隙，当转子处于转动的状态下，轮盘组件的相邻动叶片1的围带11之间相接触，在此基础上，在一定转速下相邻的围带11之间接触摩擦锁紧，最终形成整圈连接的轮盘组件。

因而通过步骤S200便于后续步骤以轮盘组件为观察对象对动叶片1进行动应力分析。

在步骤S300中，一般情况下，目标运行区间包括多个也就是两个及以上的子目标运行连续区间，确定目标运行区间的过程中需要确认目标运行区间的每个子目标运行连续区间。

在步骤S400至步骤S700中，一种围带11对应一种性能的动叶片1，一种性能的动叶片1对应一种性能的轮盘组件，具体而言，调整围带11的参数可以为改变同一特性或者多种特性，所谓“特性”包括但不限于形状、重量、厚度和材质等。

在此基础上，一种轮盘组件通常不能满足目标运行区间内的所有子目标运行连续区间对应动应力的需求，所以需要确定多种选定轮盘组件，每个选定轮盘组件能够满足至少一个子目标运行连续区间，从而使得选取出的所有选定轮盘组件能够共同满足目标运行区间的需求，也即，将所有选定轮盘组件所对应的所有动叶片1的组合作为动叶片设计结果。

从而在实际运行过程中，可以根据实际运行需求从动叶片设计结果所包括的多种动叶片1中进行选择，进而可以根据实际工况调整与之相适应的动叶片1，以达到动应力小、高转速、变转速、大流量以及高效率的效率。

综上，通过保持轮盘组件的基础部不变，仅调整轮盘组件的围带11的参数，来调整轮盘组件的避开共振三重点的共振转速避开区间，并将调整后的轮盘组件的避开共振三重点的共振转速避开区间与目标运行区间进行比较，如果满足目标运行区间的要求，则将调整后的轮盘组件所对应的动叶片作为动叶片设计结果。该动叶片设计方法快捷且精确，能够确保设计出的动叶片一定能够安全运行，此外，可能根据目标运行区间设计出多种可替换使用的动叶片，每种动叶片1所能够满足的连续运行区间是已知的，将相关信息告知使用者，从而在动叶片1的实际使用和加工过程中，能够根据当前的实际运行工况，选择、加工及更换与当前实际运行工况相适应的动叶片1，提高了应用该动叶片1的汽轮机的灵活性和经济性。

其中，待定轮盘组件避开共振三重点的共振转速避开区间包括轮盘组件能够适用的转速区间，且通过避开共振三重点的计算原则对每种轮盘组件的转速区间进行计算，从而能够确保轮盘组件在运行过程中不会产生共振，进而不会由于共振而产生破坏，也即能够在连续转速区间内安全运行。

本实施例的可选方案中，求取待定轮盘组件避开共振三重点的共振转速避开区间的步骤具体包括以下步骤：

步骤S501，确定K阶工频倍频线和K+1阶工频倍频线，其中，K为正整数；

步骤S502，分别获取每种轮盘组件的第一固有频率曲线和第二固有频率曲线，第一固有频率曲线为每种轮盘组件的N节径的固有频率曲线，第二固有频率曲线为每种轮盘组件的N+1节径的固有频率曲线，N等于K；

步骤S503，求取每种轮盘组件的第一交点，第一交点为K阶工频倍频线与每种轮盘组件的第一固有频率曲线的交点；

步骤S504，求取每种轮盘组件的第二交点，第二交点为K+1阶工频倍频线与每种轮盘组件的第二固有频率曲线的交点；

步骤S505，将每种轮盘组件的避开共振三重点的共振转速避开区间选定为第一交点与第二交点之间转速区间。

在该可实施方式中，通过步骤S501和步骤S502确定了K阶工频倍频线、K+1阶工频倍频线、第一固有频率曲线和第二固有频率曲线，为步骤S503和步骤S504中计算第一交点和第二交点提供了基础。

如图1所示，示出了在两种具有不同厚度的围带11所对应的动叶片1的频率随转速变化的坐标系，横轴是转速，纵轴是频率。细实线是工频倍频线，K阶工频倍频线的函数线为频率＝转速/60*K，K是阶数或倍数。两条粗实线分别是具有薄围带的第一动叶片和具有厚围带的第二动叶片的N节径的一阶节径振动固有频率曲线，两条虚线分别是具有薄围带的第一动叶片和具有厚围带的第二动叶片的第二动叶片的N+1节径的一阶节径振动固有频率曲线。

从图1中可以看到，每种轮盘组件由于围带11不同，固有频率曲线发生平移，也就是说，仅通过改变围带11的厚度，能够改变轮盘组件的频率，即可使得动叶片1的安全转速运行区间发生改变。

由于第一交点和第二交点均为共振三重点，所以通过步骤S404能够确保这种轮盘组件的共振转速避开区间不会跨过共振三重点运行，也即确保轮盘组件能够在安全范围内运行。

本实施例中，K和N的取值，可以综合动叶片的总数、该轮盘组件在整个汽轮机中所处的级别以及目标运行区间等因素，根据经验选择最容易发生共振的节径位置，以确定N和K，有利于提高设计效率。

值得强调的是，保险起见，或者可以针对所有可能的节径位置逐个进行计算和验证，相应地，可以得到多个避开共振三重点的共振转速避开区间，对求得的所有避开共振三重点的共振转速避开区间取交集即可。

本实施例中，第一固有频率曲线为N节径的任一阶振动固有频率曲线，第二固有频率曲线为N+1节径的任一阶振动固有频率曲线，也就是说，第一固有频率曲线可以为各阶振动固有频率曲线，第二区固有频率曲线可以为各阶振动固有频率曲线。

在本实施例的可选方案中，调整轮盘组件的围带11的参数具体体现为调整轮盘组件的围带11的厚度参数，设计者通过对围带11厚度进行分档，从而仅改变一个参数，就使得只能在特定转速范围内运行的定型叶片转换成满足各种运行区间使用的通用叶片。

本实施例的可选方案中，将动叶片1设计为还包括凸台12，凸台12连接于叶身10的侧壁，将叶根13、叶身10和凸台12作为基础部，从而当轮盘组件在整圈自锁的状态下，相邻的动叶片1的凸台12也能够接触并锁紧。

本实施例的可选方案中，在步骤S300和步骤S400之间还包括以下步骤：选定一种基础部。具体而言，可以根据动叶片1所处级别以及蒸汽流动特性从现有的已设计的基础部中进行选择，从而能够简化基础部的设计难度，进而简化整个动叶片1的设计难度。

实施例二

参见图1至图3所示，实施例二提供了一种动叶片1，该实施例由实施例一中的动叶片设计方法设计而成，实施例一所公开的动叶片设计方法的技术特征也适用于该实施例，实施例一已公开的动叶片设计方法的技术特征不再重复描述。

本实施例中的动叶片1具有实施例一中的动叶片设计方法的优点，实施例一所公开的动叶片设计方法的优点在此不再重复描述。

实施例三

实施例三提供了一种驱动空分压缩机的汽轮机，该实施例包括实施例二中的动叶片，实施例二所公开的动叶片的技术特征也适用于该实施例，实施例二已公开的动叶片的技术特征不再重复描述。

本实施例中的驱动空分压缩机的汽轮机具有实施例二中的动叶片的优点，实施例二所公开的动叶片的优点在此不再重复描述。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，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发明各实施例技术方案的范围。此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

Claims (9)

1.一种动叶片设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

将动叶片设计为包括叶根、叶身和围带，所述叶根和所述围带分别与所述叶身的底部和顶部相连接，将所述叶身和所述叶根作为基础部；

将轮盘组件设计为包括转子的轮盘及环绕所述转子的轮盘设置的多个所述动叶片，每个所述动叶片的所述叶根与所述转子的轮盘相连接，每相邻的两个所述动叶片的所述围带相抵接或留有初始间隙；

确定目标运行区间；

保持所述轮盘组件的基础部不变，调整所述轮盘组件的围带的参数，得到待定轮盘组件；

求取所述待定轮盘组件的避开共振三重点的共振转速避开区间；

判断所述目标运行区间是否落入所述待定轮盘组件的避开共振三重点的共振转速避开区间，如果所述目标运行区间没有落入所述待定轮盘组件的避开共振三重点的共振转速避开区间，则返回所述保持所述轮盘组件的基础部不变的步骤；

直至所述目标运行区间落入所述待定轮盘组件的避开共振三重点的共振转速避开区间，将所述待定轮盘组件作为选定轮盘组件；

将所述动叶片设计结果确定为所述选定轮盘组件所对应的所述动叶片。

2.根据权利要求1所述的动叶片设计方法，其特征在于，所述求取所述待定轮盘组件的避开共振三重点的共振转速避开区间的步骤具体包括以下步骤：

确定K阶工频倍频线和K+1阶工频倍频线，其中，K为正整数；

分别获取每种所述轮盘组件的第一固有频率曲线和第二固有频率曲线，所述第一固有频率曲线为每种所述轮盘组件的N节径的固有频率曲线，所述第二固有频率曲线为每种所述轮盘组件的N+1节径的固有频率曲线，N等于K；

求取每种所述轮盘组件的第一交点，所述第一交点为K阶工频倍频线与每种所述轮盘组件的所述第一固有频率曲线的交点；

求取每种所述轮盘组件的第二交点，所述第二交点为K+1阶工频倍频线与每种所述轮盘组件的所述第二固有频率曲线的交点；

将每种所述轮盘组件的避开共振三重点的共振转速避开区间选定为所述第一交点与所述第二交点之间转速区间。

3.根据权利要求2所述的动叶片设计方法，其特征在于，所述第一固有频率曲线为N节径的任一阶振动固有频率曲线。

4.根据权利要求2所述的动叶片设计方法，其特征在于，所述第二固有频率曲线为N+1节径的任一阶振动固有频率曲线。

5.根据权利要求1所述的动叶片设计方法，其特征在于，调整所述轮盘组件的围带的厚度参数。

6.根据权利要求1所述的动叶片设计方法，其特征在于，所述保持所述轮盘组件的基础部不变的步骤之前还包括以下步骤：

选定一种所述基础部。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的动叶片设计方法，其特征在于，将所述动叶片设计为还包括凸台，所述凸台连接于所述叶身的侧壁，将所述叶根、所述叶身和所述凸台作为所述基础部，每相邻的两个所述动叶片的所述凸台相抵接或留有初始间隙。

8.一种动叶片，其特征在于，根据权利要求1至7中任一项所述的动叶片设计方法设计而成。

9.一种驱动空分压缩机的汽轮机，其特征在于，包括权利要求8所述的动叶片。