CN1730912A - 汽轮机末级动叶片 - Google Patents

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本发明涉及一种汽轮机末级动叶片,特征是叶高H的相对值由0.0单调增加到1.0,叶身型线的安装角c1由82.81°单调减小到10.1°;进口几何角a1由36.65°单调增加到168.0°;出口几何角a2由31.4°单调减小到10.6°;最大厚度w1的相对值由3.47单调减小到1.0;弦长b1的相对值由1.84单调减小到1.0;截面面积S的相对值由7.98单调减小到1.0;叶高H与根径Dr之比满足关系式:0.5≤H/Dr≤0.7。特别适用于叶片有效高度≥1200mm,功率600MW~1200MW,转速3000rpm的亚临界、超临界汽轮机。

Description

汽轮机末级动叶片
技术领域
本发明涉及汽轮机叶片,尤其涉及一种汽轮机末级动叶片,特别适用于叶片有效高度≥1200mm,功率600MW~1200MW,转速3000rpm的亚临界、超临界汽轮机。
背景技术
蒸汽轮机是火力发电厂三大主力设备之一,安装于汽轮机转轴上的动叶片是汽轮机中至关重要的关键部件,特别是末级动叶片的结构设计,因其涉及的技术面广、技术含量高而成为汽轮机的核心技术。汽轮机的容量越大、发电密度越高,要求其初参数越高,排汽环形面积越大,需要的末级叶片就越长,末级叶片越长,对叶片材料强度要求就越高,叶片的气动和振动设计就越难,因此,汽轮机末级长叶片的开发成为世界上各大汽轮机制造商关注的重点,也是其设计制造的难点,其水平代表了开发者的综合实力。
随着材料技术的不断发展,更高强度的合金钢叶片材料已研制出来,为长叶片的开发创造了基本条件。近十年来,计算机技术的飞速发展也为叶片的气动和强度振动方面的数值分析技术奠定了坚实基础。长叶片开发主要依靠当代先进的数值分析技术进行设计目标的循环虚拟优化设计,按照最终的设计方案制造一级实物叶片进行振动调频试验,根据对试验结果分析,确定产品叶片的最终结构。目前,世界上各大汽轮机制造厂均有自己的长叶片系列,如:GE公司拥有的3600rpm长叶片系列中,最长的叶片为40″(Ti),3000rpm长叶片系列中,最长的叶片为48″钢叶片。日立东芝公司在GE公司的长叶片系列基础上,分别开发出了3000rpm的48″钢叶片,ALSTOM公司的3000rpm钢叶片最长为46″。在国内,目前投运的全转速国产长叶片为1000mm等级(40″)。上述叶片的结构形式大体分为二种:(1).枞树形叶根、变截面扭曲叶身、一道整体拉筋、一层整体围带。(2).叉形叶根、变截面扭曲叶身、一道整体拉筋、一层整体围带。例如,中国专利公开的日本东芝的《汽轮机动叶片》(CN02132158.2)、《汽轮机的高效叶片结构》(CN99111069.2),美国西屋电气公司的《用于反动汽轮机叶栅的叶片装置》(CN90108430)、《用于低压汽轮机的自由固定叶片》(CN91101186.2),德国西门子公司的《用于叶片机械的叶片和汽轮机》(CN9880832.7)、《汽轮机和汽轮机叶片》(CN98803676.2)。上述叶片的基本结构相近,区别主要在于叶片结构尤其是叶身结构的结构要素(即特征参数)各不相同,叶片各个组成部分的具体形状只是相近,但不相似,都有自己的特点,叶片的技术性能也各有千秋,主要性能参数优劣互参,难于从整体上评价。可见,各汽轮机制造商都拥有一套自己独特的叶片设计制造技术,形成各具特色的系列产品。
发明内容
本发明提供一种汽轮机动叶片,其结构要素不同于现有产品,其技术性能的主要指标达到或超过现有同类产品,整体综合性能优于现有同类产品。
本发明的技术方案是:
一种汽轮机末级动叶片,具有叶身和叶根,所述叶身的顶部有围带,腰部有凸台拉筋,叶根、叶身、围带、凸台拉筋是整体结构;所述叶身是由若干特征截面按一特定规律迭合而成的异形体,其有效高度为H、根径为Dr;所述截面的轮廓型线是由内弧曲线和背弧曲线围成的封闭曲线,具有特征参数:安装角c1、进口几何角a1、出口几何角a2、弦长b1、最大厚度w1、截面面积S;截面的迭合规律是,沿叶高方向自根端向顶端,各截面连续光滑过渡;其特征在于,叶高H的相对值由0.0单调增加到1.0;与之相对应,安装角c1由82.81°单调减小到10.1°;进口几何角a1由36.65°单调增加到168.0°;出口几何角a2由31.4°单调减小到10.6°;最大厚度w1的相对值由3.47单调减小到1.0;弦长b1的相对值由1.84单调减小到1.0;截面面积S的相对值由7.98单调减小到1.0;叶高H与根径Dr之比满足关系式:0.5≤H/Dr≤0.7。
所述凸台拉筋的工作面与X轴的夹角B2满足关系式:
A2=T2·COSB2;15°≤B2≤75°。
所述围带的工作面与X轴的夹角B1满足关系式:
A1=T1·COSB1;10°≤B1≤80°。
所述叶根为圆弧枞树型叶根。
上述结构的叶片具有优良的技术性能,表现在:
一、叶身
气动设计和叶片的结构、强度、振动设计相互耦合,有时是不可调和的,本发明的末级长叶片的气动特性和结构、强度、振动特性协调良好,其产生的技术效果是使叶片具有高的可靠性和高经济性。叶身强度特性为:叶身局部最大应力小于叶片材料的强度极限,局部最大应力与根截面平均应力之比小于1.35。叶身的振动特性为:单只叶片的一阶动/静频率之比约为3.8,单只叶片的二阶动/静频率之比约为1.9。叶身气动特性为:叶片级静叶流道内气流均匀加速、无分离、无扩压流动、无激波、尾迹较薄;叶片级动叶流道内气流均匀加速、无分离、内背弧上附面层较薄,沿叶高具有良好的攻角特性;叶片级的三维计算等熵级效率高达92.75%,表明该级静动叶匹配合理,具有优良的气动特性。
二、拉筋凸台
与现有叶片的拉筋凸台相比,本叶片的拉筋凸台的优点是:
本拉筋凸台的横截面形状很好地满足了气流的流动,气流的流动损失更小。
在转速约为N2转/分时,拉筋工作面S2与相邻叶片拉筋工作面P2接触,产生一定的压应力F2,增加叶片工作时的刚性,同时提供大的结构阻尼,大幅度降低叶片动应力。本拉筋凸台的结构阻尼值大于现有结构的拉筋凸台的结构阻尼值。
三、围带
自带围带结构在气动方面阻止了叶顶的横向窜流和径向流,在转速约为N1转/分时,围带工作面S1与相邻叶片围带工作面P1接触,产生较大的压应力F1,在叶片工作时增加叶片刚性,使静态下的自由叶片在额定转速时较大地限制了叶顶的扭转恢复,形成整圈约束结构,大幅度降低叶片动应力。本围带的这些性能都优于现有结构的围带。
附图说明
图1是叶身截面结构要素示意图
图2是叶身截面迭合示意图
图3是拉筋凸台截面结构要素示意图
图4是围带截面结构要素示意图
图5是叶片顶部S1流面马赫数分布图
具体实施方式
现以用于4F-1000MW等级汽轮机的1200mm动叶片为例详细说明本发明。
该汽轮机的设计背压为5.0Kpa,在此设计背压范围内,最终方案确定的末级动叶片气道高度(即叶片的有效高度,亦是叶片的叶身部分的长度)H为1200mm,根径(即叶片安装于转子后,其叶身根截面所在圆的直径,亦是转子轮缘的直径)Dr为1905mm,其环形面积大于11.6m2,以此根径Dr和叶高H为基准设计低压模块的通流,设计原则是低压末三级作为一个积木块进行通流匹配设计,通过设计低压前几级,可以实现不同功率的低压通流模块。在给定低压进口压力、焓值、流量和背压,在保证低压子午流道光顺的前提下,优化各级的焓降、速比和级内反动度匹配。
本叶片具有叶身和叶根,叶身的顶部有围带,腰部有凸台拉筋。参见图1、图2,所述叶身是由若干特征截面按一特定规律迭合而成的异形体,其有效高度(即叶身高度)为H、根径为Dr(叶片安装于转子后,叶根处的转子直径),截面的轮廓型线是由内弧曲线和背弧曲线围成的封闭曲线,具有特征参数:安装角c1、进口几何角a1、出口几何角a2、弦长b1、最大厚度w1、截面面积S。这些参数中,叶身高度H、安装角c1、进口几何角a1、出口几何角a2、弦长b1、最大厚度w1是决定叶身形状的必不可少的结构要素。
相关变量定义:
Dr-根径:叶片装配在转子上时,叶身根截面(气道高度0.0mm处)所在位置的直径。
H-叶片有效高度,即叶身高度:叶顶截面(围带内面)与叶型根截面之间的径向距离。
H%-相对叶高:各截面与叶型根截面之间的径向距离与气道有效高度之比。
Z-叶片只数:安装在转轴上一周的叶片总数。
b1-弦长:叶身截面进、出汽边的距离。
c1-叶片安装角:弦长b1与周向(Y向)的夹角。
W-叶身截面轴向宽度=b1cos c1。
w1-叶身截面切向宽度(即最大厚度)。
a2-出口几何角=sin-1(o1/T);式中:
T-节距:相邻两叶片同一高度截面在周向的安装距离。
o1-出口喉宽:出口边与相邻叶身截面背弧的最小距离。
截面的迭合规律是,各截面的动态重心重合且以重心连线(即辐射线)为中心扭转成型,沿叶片高度方向自根端向顶端,各截面连续光滑过渡,截面面积S沿高度方向单调减小,呈塔形变化。在以汽轮机转子中轴线为X轴、转子切向(旋转方向)为Y轴、叶片截面重心为原点的坐标系中,叶高H的相对值由0.00单调增加到1.00,与之相对应,安装角c1由82.81°单调减小到10.1°;进口几何角a1由36.65°单调增加到168.0°;出口几何角a2由31.4°单调减小到10.6°;最大厚度w1的相对值由3.47单调减小到1.0;弦长b1的相对值由1.84单调减小到1.0;截面面积S的相对值由7.98单调减小到1.0;叶高H与根径Dr之比满足关系式:0.5≤H/Dr≤0.7。
需要说明,出口几何角a2在图1中未直接示出,但示出了节距T和出口喉宽o1,可由关系式a2=sin-1(o1/T)导出。
本叶片安装于转子轮缘上,相邻叶片之间的空间就构成汽道,汽道的空间形状将主要决定汽轮机的性能。显然,汽道的空间形状不仅与叶片的叶身形状有关,还与叶片相互间的位置、叶身形状与根径Dr间的比例有关,因此,必须同时合理地确定这些参数,才能保证汽轮机的性能,在使用本发明的叶片时,还须满足:叶身根截面的轴向宽度W与根径Dr之比为0.15≤W/Dr≤0.2,叶身根截面的轴向宽度W与根径Dr与叶片数量Z之比满足0.07≤Dr/W/Z≤0.08。
附表1给出沿叶高方向分布的12个特征截面特征参数的相对值,用插值法可求出任意特征截面的特征参数值。
附表1 叶身各截面型线的成型规律
  截面名称   H%   重心Xmm   重心ymm   a1   b1   a2   c1   S   W1
  A   0.0   0.000   0.000   0.218   1.84   3.32   8.22   7.98   3.47
  C   0.091   0.000   0.000   0.240   1.51   3.12   7.64   6.67   3.46
  E   0.182   0.000   0.000   0.284   1.31   3.00   6.96   5.52   3.42
  G   0.273   0.000   0.000   0.358   1.16   2.92   6.04   4.41   3.40
  I   0.365   0.000   0.000   0.474   1.04   2.79   4.82   3.36   3.17
  K   0.456   0.000   0.000   0.596   1.01   2.53   3.71   2.67   2.87
  O   0.547   0.000   0.000   0.761   1.01   2.30   2.91   2.07   2.25
  Q   0.638   0.000   0.000   0.874   1.01   2.12   2.35   1.56   1.64
  S   0.729   0.000   0.000   0.947   1.00   1.91   1.94   1.25   1.33
  V   0.820   0.000   0.000   0.970   1.00   1.61   1.61   1.07   1.16
  X   0.911   0.000   0.000   0.988   1.01   1.38   1.36   1.02   1.06
  Z   1.000   0.000   0.000   1.00   1.00   1.00   1.00   1.00   1.00
注:H%是叶身的相对高度,与之对应的参数值均为相对值。
由此规律形成的叶身,其气动特性表现为:根部为亚音速叶型、中部为跨音速叶型、顶部为超音速叶型,实现了本叶片级流场特性的优化。叶片的气动特性和结构、强度、振动特性协调,具有很高的可靠性和高经济性。从图5所示的叶身顶部超音速叶型段S1流面马赫数分布图可见,叶身顶部超音速叶型段具有优良的气动特性。
由于在工作状态下,叶片中上部分的截面相对于静止状态时有较大的扭转变形,本发明采用结构有限元分析方法优化设计了叶片的连接结构,包括拉筋凸台和围带。
参见图3:拉筋凸台位于叶身腰部,并与叶身一体,拉筋凸台截面具有特征参数:拉筋工作面S2与P2间的距离T2、拉筋工作面S2和P2的平行距离A2、拉筋工作面与X轴(轴向)的夹角B2,本发明的特点是拉筋工作面S2与X轴(轴向)的夹角B2满足关系式:A2=T2cosB2,15°≤B2≤75°。该拉筋凸台的横截面形状很好地满足了气流的流动,本拉筋凸台的流动损失较现有的小。转子运转时,叶片的中上部分会扭转变形,扭转变形量与转速有关,当转速达到某一确定值(N2转/分)时,拉筋工作面S2与相邻叶片拉筋工作面P2接触,并产生一定的压应力F2,在叶片工作时增加叶片刚性,同时提供大的结构阻尼,大幅度降低叶片动应力。
参见图4:在叶身顶部设有与叶身一体的围带,围带截面具有特征参数:围带工作面S1与P1间的距离T1、围带工作面S1与P1间的平行距离A1、工作面与X轴(轴向)的夹角B1,本发明的特点是围带工作面与X轴(轴向)的夹角B1满足关系式:A1=T1cosB1,10°≤B1≤80°。围带在气动方面阻止了叶顶的横向窜流和径向流。转子运转时,叶片的中上部分会扭转变形,扭转变形量与转速有关,当转速达到某一确定值(N1转/分)时,围带工作面S1与相邻叶片围带工作面P1接触,产生较大的压应力F1,在叶片工作时增加叶片刚性,使静态下的自由叶片在额定转速时较大地限制了叶顶的扭转恢复,形成整圈约束结构,大幅度降低叶片动应力。
拉筋凸台、围带的接触转速满足关系式:0≤2N1<N2≤2500转/分。工作面压应力满足关系式:0.0<F2<F1≤0.2倍材料的强度极限。
在额定转速3000rpm下,单只1200mm钢叶片的离心力非常大,约5×105kgf,这对叶根和轮缘的强度是一个极大的挑战,因此,本发明采用大承载能力的圆弧枞树型叶根结构。

Claims (3)

1.一种汽轮机末级动叶片,具有叶身和叶根,所述叶身的顶部有围带,腰部有凸台拉筋,叶根、叶身、围带、凸台拉筋是整体结构;所述叶身是由若干特征截面按一特定规律迭合而成的异形体,其有效高度为H、根径为Dr;所述截面的轮廓型线是由内弧曲线和背弧曲线围成的封闭曲线,具有特征参数安装角c1、进口几何角a1、出口几何角a2、弦长b1、最大厚度w1、截面面积S;截面的迭合规律是沿叶高方向自根端向顶端,各截面连续光滑过渡;其特征在于,叶高H的相对值由0.0单调增加到1.0;与之相对应,安装角c1由82.81°单调减小到10.1°;进口几何角a1由36.65°单调增加到168.0°;出口几何角a2由31.4°单调减小到10.6°;最大厚度w1的相对值由3.47单调减小到1.0;弦长b1的相对值由1.84单调减小到1.0;截面面积S的相对值由7.98单调减小到1.0;叶高H与根径Dr之比满足关系式:0.5≤H/Dr≤0.7。
2.根据权利要求1所述的汽轮机末级动叶片,其特征在于,所述凸台拉筋的工作面与X轴的夹角B2满足关系式:
        A2=T2·COSB2;15°≤B2≤75°。
3.根据权利要求1所述的汽轮机末级动叶片,其特征在于,所述围带的工作面与X轴的夹角B1满足关系式:
        A1=T1·COSB1;10°≤B1≤80°。
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