CN211008775U - 一种带长短翼的动叶片及转子 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种带长短翼的动叶片及转子，包括叶型和叶根，叶根和叶型之间的接触面为轮毂弧面，叶型压力面侧的叶根的第一侧面上设置有长翼，长翼和叶型之间的接触面为轮毂弧面；叶型吸力面侧的叶根的第二侧面上设置有短翼，短翼和叶型之间的接触面为轮毂弧面；带长短翼的动叶片的动叶质量偏心距e≤2.0mm。本实用新型的动叶片静应力水平较低，动应力较小，应力分布均匀，一阶弯曲振动频率高，抗疲劳性能好。带长短翼的中间体部分完全包裹住了叶型底截面，结构上完整的实现气动设计要求；调整重心位置可以实现离心弯应力抵消部分气流弯应力，降低交变应力幅值，提高动叶片的疲劳寿命。

Description

一种带长短翼的动叶片及转子

技术领域

本实用新型属于高炉煤气余压透平领域，涉及动叶片，具体涉及一种带长短翼的动叶片及转子。

背景技术

动叶片是轴流式高炉煤气余压透平膨胀机将余压和余热转化为机械能的最核心的元件，其应力水平和应力分布直接关心到动叶片自身可靠性。动叶片不仅仅收到离心载荷的作用，还受到气流交变载荷的作用，动叶片的振动疲劳问题凸显，对动叶片的结构设计有更高需求。

轴流式高炉煤气余压透平膨胀机的动叶片的特点是整圈动叶片的数目相对较少，动叶片通常采用大弦长或大转折角的叶型。而这种叶型造就了相邻叶片的节距较大，无法采用类似于汽轮机动叶片常用的拉筋结构和围带结构等阻尼结构，动叶片叶身(叶型)只能是自由叶片，这就对叶根的设计提出了更高的要求。

轴流式高炉煤气余压透平膨胀机的动叶片绝大多数采用的是周向装入轮毂式主轴的叶根槽内，常规的动叶片沿周向分布，相邻的动叶片采用隔叶块分开，装配时沿周向相互挤紧，利用隔叶块的空间来装入最后一枚动叶片，然后放入隔叶块，在隔叶块处锁紧。而对于大弦长或大转折角的叶片，要完全包裹住叶身底截面，隔叶块的空间不足以放入最后一枚动叶片，只能选择去掉隔叶块的设计方案。

轴流式高炉煤气余压透平膨胀机通常是用来直接驱动发电机发电的，国内电网频率为50Hz，对应的发电机转速3000r/min，在小型机组上，动叶片应力水平较低，动叶片叶根还好设计，而在中大型机组上，动叶片应力水平就较高，动叶片叶根设计就较为困难。因此，开发一种适用于大弦长或大转折角的周向装入式的动叶片是高炉煤气余压透平膨胀机行业发展的需求。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本实用新型的目的在于，提供一种带长短翼的动叶片及转子，解决现有技术中的动叶片的叶根难以承受大应力导致动叶片的疲劳寿命短的技术问题。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案予以实现：

一种带长短翼的动叶片，包括叶型和叶根，叶根和叶型之间的接触面为轮毂弧面，叶型压力面侧的叶根的第一侧面上设置有长翼，长翼和叶型之间的接触面为轮毂弧面；叶型吸力面侧的叶根的第二侧面上设置有短翼，短翼和叶型之间的接触面为轮毂弧面；

所述的带长短翼的动叶片的动叶质量偏心距e≤2.0mm；

其中，ρ为密度；

V₁为叶型的体积；

V₂为叶根的体积；

V₃为长翼的体积；

V₄为短翼的体积；

e₁为叶型相对于叶片离心力方向中心线的偏心距；

e₂为叶根相对于叶片离心力方向中心线的偏心距；

e₃为长翼相对于叶片离心力方向中心线的偏心距；

e₄为短翼相对于叶片离心力方向中心线的偏心距。

本实用新型还具有如下技术特征：

所述的带长短翼的动叶片的动叶质量偏心距e≤0.2mm。

所述的长翼、短翼与叶根之间均采用圆角光滑过渡。

所述的第一侧面和第二侧面为一对平行的平面；所述的第一侧面与叶片离心力方向中心线平行。

所述的叶根采用双倒T形叶根。

所述的叶根底部非承载区域设置有去重孔。

本实用新型还保护一种带长短翼的动叶片，包括叶型和叶根，叶根和叶型之间的接触面为轮毂弧面，叶型压力面侧的叶根的第一侧面上设置有长翼，长翼和叶型之间的接触面为轮毂弧面；叶型吸力面侧的叶根的第二侧面上设置有短翼，短翼和叶型之间的接触面为轮毂弧面；

所述的长翼和短翼用于调整动叶片的周向重心位置，使得动叶片的离心弯应力抵消部分气流弯应力。

本实用新型还保护一种转子，包括转子主轴，转子主轴上设置有轮毂，轮毂上安装有多个动叶片，所述的动叶片采用如上所述的带长短翼的动叶片。

一个动叶片的长翼与相邻的另一个动叶片的短翼接触。

所述的叶片离心力方向中心线与转子轴线在同一平面内，所述的第一侧面与所述的叶片离心力方向中心线与转子轴线所在的平面平行。

本实用新型与现有技术相比，具有如下技术效果：

(Ⅰ)本实用新型的动叶片静应力水平较低，动应力较小，应力分布均匀，一阶弯曲振动频率高，抗疲劳性能好。

(Ⅱ)带长短翼的中间体部分完全包裹住了叶型底截面，结构上完整的实现气动设计要求；

(Ⅲ)调整重心位置可以实现离心弯应力抵消部分气流弯应力，降低交变应力幅值，提高动叶片的疲劳寿命。

(Ⅳ)底截面设置去重孔，可以调节应力分布，避免动叶片应力集中问题。

(Ⅴ)本实用新型的相邻的动叶片间不需要安装间隔块，动叶片之间长短翼交替紧密安装。

附图说明

图1为带长短翼的双倒T叶根的动叶片的结构示意图。

图2(a)、图2(b)、图2(c)和图2(d)为带长短翼的双倒T叶根的动叶片三视图和等侧视图结构示意图。

图3为图2中的A-A截面剖视结构示意图。

图4为图2中的B-B截面剖视结构示意图图。

图5是本实用新型的转子的装配结构示意图。

图6(a)、图6(b)、、图6(c)和图6(d)为采用UG建立的三维实体模型。

图7(a)和图7(b)为采用UG建立的主轴、动叶及隔叶块装配体的循环对称模型。

图8(a)和图8(b)为第二级动叶结构的循环对称模型。

图9(a)和图9(b)为第二级整圈动叶的VonMises应力云图。

图10(a)和图10(b)为第二级单个动叶的VonMises应力云图。

图11(a)和图11(b)为第二级动叶振动频率结果。

图6至图11中，左侧均为：菱形叶根动叶带隔叶块结构；右侧均为：带长短翼的双倒T形叶根动叶结构。

图中各个标号的含义为：1-叶型，2-叶根，3-长翼，4-短翼，5-轮毂弧面， 6-第一侧面，7-第二侧面，8-去重孔，9-转子主轴，10-轮毂，11-动叶片；

O为转子轴线所在的中心点，OZ为叶片离心力方向中心线，R为轮毂半径。

以下结合实施例对本实用新型的具体内容作进一步详细解释说明。

具体实施方式

本实用新型通过调整该叶片中间体的长短翼来改变周向重心位置，调整去重孔的大小和位置来改变整个叶片的重心位置，使得动叶片离心弯应力抵消部分气流弯应力，实现叶片应力水平较低，进排气齿形的工作面受力相对均匀。

本实用新型中，去重孔采用圆形孔、方形孔、三角形孔或六边形孔。

本实用新型中，去重孔的数量为1至10个。

本实用新型中，叶根齿形进排气侧对称分布。

本实用新型中，叶型、叶根、长翼和短翼为一体成型的整体结构。

本实用新型中，叶型为大弦长的叶型或大转折角的叶型。大弦长指的是叶型底截面前缘点与后缘点的距离，通常轴流式高炉煤气余压透平膨胀机动叶片的弦长大于125mm，本实用新型动叶片弦长为165mm；大转折角指的是叶片叶型底截面入口角方向与出口角方向之间的转角，通常通常轴流式高炉煤气余压透平膨胀机动叶片的转折在[90°，150°]，本实用新型动叶片转折为95°。

本实用新型中，长翼、短翼和去重孔的具体尺寸和形式视具体的叶片设计时的叶片受力分析而定。

以下给出本实用新型的具体实施例，需要说明的是本实用新型并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本实用新型的保护范围。

实施例1：

遵从上述技术方案，如图1至图4所示，本实施例给出一种带长短翼的动叶片，包括叶型1和叶根2，叶根2和叶型1之间的接触面为轮毂弧面5，叶型1 压力面侧的叶根2的第一侧面6上设置有长翼3，长翼3和叶型1之间的接触面为轮毂弧面5；叶型1吸力面侧的叶根2的第二侧面7上设置有短翼4，短翼4和叶型1之间的接触面为轮毂弧面5；

带长短翼的动叶片的动叶质量偏心距e≤2.0mm；

其中，ρ为密度；

V₁为叶型的体积；

V₂为叶根的体积；

V₃为长翼的体积；

V₄为短翼的体积；

e₁为叶型相对于叶片离心力方向中心线的偏心距；

e₂为叶根相对于叶片离心力方向中心线的偏心距；

e₃为长翼相对于叶片离心力方向中心线的偏心距；

e₄为短翼相对于叶片离心力方向中心线的偏心距。

本实施例中，长翼3和短翼4用于调整动叶片的周向重心位置，使得动叶片的离心弯应力抵消部分气流弯应力。

作为本实施例的一种优选方案，带长短翼的动叶片的动叶质量偏心距e ≤0.2mm。动叶质量偏心距e≤0.2mm时叶片离心弯应力更小。

作为本实施例的一种优选方案，第一侧面6和第二侧面7为一对平行的平面。第一侧面6与叶片离心力方向中心线平行。

作为本实施例的一种优选方案，叶根2采用双倒T形叶根。采用双倒T 形叶根联合本实用新型的叶型、长翼和短翼，在设计动叶片时动叶片质量偏心距的可调整性更好。

作为本实施例的一种优选方案，叶根2底部非承载区域设置有去重孔8。

实施例2：

遵从上述技术方案，如图5所示，本实施例给出一种转子，包括转子主轴9，转子主轴9上设置有轮毂10，轮毂10上安装有多个动叶片 11，动叶片11采用实施例1中所述的带长短翼的动叶片；

一个动叶片11的长翼3与相邻的另一个动叶片11的短翼4接触。

叶片离心力方向中心线与转子轴线在同一平面内，第一侧面6与叶片离心力方向中心线与转子轴线所在的平面平行。

本实施例中，动叶片11的具体数量根据实际需要而定。

效果对比分析：

图6至图11为实施案例情况，左、右结构对比：动叶片叶型完全相同，动叶片流道高度完全相同，主轴及叶根槽也都完全相同，只是叶根结构形式不同。左图为传统的菱形叶根动叶片加隔叶块安装于主轴叶根槽内结构，右图为采用本实用新型的带长短翼的双倒T型叶根动叶片安装于主轴叶根槽内结构，即本实用新型的实施例2中给出的转子。

图6(a)、图6(b)、、图6(c)和图6(d)为采用UG建立的三维实体模型，图7(a)和图7(b)为采用UG建立的主轴、动叶及隔叶块装配体的循环对称模型，图8(a)和图8(b)为第二级动叶结构的循环对称模型，通过有限元仿真分析分布得到两种结构的应力云图和动叶片的振动频率分析结果，图9(a)和图9(b)为第二级整圈动叶的VonMises 应力云图，图10(a)和图10(b)为第二级单个动叶的VonMises应力云图，图11(a)和图11(b)为第二级动叶振动频率结果。

图9(a)、图9(b)和图10(a)、图10(b)的VonMises应力云图显示，传统的菱形叶根动叶加隔叶块结构最大应力为575.15MPa，带长短翼的双倒T叶根动叶结构最大应力为532.53MPa。对比发现，带长短翼的双倒T动叶结构较传统的菱形叶根动叶加隔叶块结构最大应力可以降低7.4％，叶根受力更均匀。

图11(a)和图11(b)动叶片振动频率分析结果显示：传统的菱形叶根第二级动叶片的一阶弯曲振动频率为397.64Hz，带长短翼的双倒T 叶根结构第二级动叶片的一阶弯曲振动频率为420.5Hz。对比发现，带长短翼的双倒T叶根结构第二级动叶片较传统的菱形叶根第二级动叶片一阶弯曲振动频率升高5.7％。

通过传统结构与实用新型新结构的对比分析可以看出，本实用新型的带长短翼的双倒T叶根动叶片可以有效降低动叶片结构应力水平，同时还可以有效提升动叶片的一阶弯曲振动频率。增加动叶片激振难度，进而提高动叶片的疲劳寿命。

Claims (10)

1.一种带长短翼的动叶片，包括叶型(1)和叶根(2)，叶根(2)和叶型(1)之间的接触面为轮毂弧面(5)，其特征在于，叶型(1)压力面侧的叶根(2)的第一侧面(6)上设置有长翼(3)，长翼(3)和叶型(1)之间的接触面为轮毂弧面(5)；叶型(1)吸力面侧的叶根(2)的第二侧面(7)上设置有短翼(4)，短翼(4)和叶型(1)之间的接触面为轮毂弧面(5)；

所述的带长短翼的动叶片的动叶质量偏心距e≤2.0mm；

其中，ρ为密度；

V₁为叶型的体积；

V₂为叶根的体积；

V₃为长翼的体积；

V₄为短翼的体积；

e₁为叶型相对于叶片离心力方向中心线的偏心距；

e₂为叶根相对于叶片离心力方向中心线的偏心距；

e₃为长翼相对于叶片离心力方向中心线的偏心距；

e₄为短翼相对于叶片离心力方向中心线的偏心距。

2.如权利要求1所述的带长短翼的动叶片，其特征在于，所述的带长短翼的动叶片的动叶质量偏心距e≤0.2mm。

3.如权利要求1所述的带长短翼的动叶片，其特征在于，所述的长翼(3)、短翼(4)与叶根(2)之间均采用圆角光滑过渡。

4.如权利要求1所述的带长短翼的动叶片，其特征在于，所述的第一侧面(6)和第二侧面(7)为一对平行的平面；所述的第一侧面(6)与叶片离心力方向中心线平行。

5.如权利要求1所述的带长短翼的动叶片，其特征在于，所述的叶根(2)采用双倒T形叶根。

6.如权利要求1所述的带长短翼的动叶片，其特征在于，所述的叶根(2)底部非承载区域设置有去重孔(8)。

7.一种带长短翼的动叶片，包括叶型(1)和叶根(2)，叶根(2)和叶型(1)之间的接触面为轮毂弧面(5)，其特征在于，叶型(1)压力面侧的叶根(2)的第一侧面(6)上设置有长翼(3)，长翼(3)和叶型(1)之间的接触面为轮毂弧面(5)；叶型(1)吸力面侧的叶根(2)的第二侧面(7)上设置有短翼(4)，短翼(4)和叶型(1)之间的接触面为轮毂弧面(5)；

所述的长翼(3)和短翼(4)用于调整动叶片的周向重心位置，使得动叶片的离心弯应力抵消部分气流弯应力。

8.一种转子，包括转子主轴(9)，转子主轴(9)上设置有轮毂(10)，轮毂(10)上安装有多个动叶片(11)，其特征在于，所述的动叶片(11)采用如权利要求1至6任一权利要求所述的带长短翼的动叶片。

9.如权利要求8所述的转子，其特征在于，一个动叶片(11)的长翼(3)与相邻的另一个动叶片(11)的短翼(4)接触。

10.如权利要求8所述的转子，其特征在于，所述的叶片离心力方向中心线与转子轴线在同一平面内，所述的第一侧面(6)与所述的叶片离心力方向中心线与转子轴线所在的平面平行。

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