CN213510752U - 一种变转速工业汽轮机末级的叶片及叶片组合 - Google Patents

Abstract

本申请涉及变转速工业汽轮机末级的叶片，叶片包括围带、凸台、叶身和叶根，围带位于叶身的顶部，叶根位于叶身的底部，凸台位于叶身的中部位置；叶身的最大厚度由11mm单调减小至3.5mm；其型线宽度由100mm单调减小至11mm；其节距由25mm单调增加至55.5mm；其截面积由908.5mm²单调减小至133mm²；其安装角由78°单调减小至10°；其前缘小圆半径由2.3mm单调减小至0.6mm；其尾缘小圆半径由1.5mm单调减小至0.5mm，本申请采用全三元流动设计技术，兼顾叶片的静强度，在额定设计工况下，级效率达到在0～8000r/min范围内可靠运行，并具有较高的高效性、安全性及可靠性。

Description

一种变转速工业汽轮机末级的叶片及叶片组合

技术领域

本申请涉及汽轮机领域，具体为一种变转速工业汽轮机末级的叶片及叶片组合。

背景技术

汽轮机是一种旋转式蒸汽动力装置，高温高压蒸汽穿过固定喷嘴成为加速的气流后喷射到叶片上，使装有叶片排的转子旋转，同时对外做功。随着电力行业对变转速工业汽轮机的需求量不断增加，对于变转速工业汽轮机的叶片需求也剧增，怎样提高叶片的高效性、安全性及可靠性提出越来越高的要求。

特别在变转速汽轮机末级叶片上鲜有突破，大多集中在3000～5500r/min范围内，如何设计出最高转速能够达到8000rpm，且能够满足较高的端负荷。

发明内容

本申请的目的：提高叶片的高效性、安全性及可靠性，并在0～8000r/min范围内安全可靠运行，满足较高的端负荷需求。

本申请的目的是通过如下技术方案来完成的，一种变转速工业汽轮机末级的叶片，所述叶片包括围带、凸台、叶身和叶根，所述围带位于叶身的顶部，叶根位于叶身的底部，凸台位于叶身的中部位置；其中，所述叶身(3)从底部到顶部，呈以下规律：最大厚度b由11mm单调减小至3.5mm；其型线宽度Wx由 100mm单调减小至11mm；其节距p由25mm单调增加至55.5mm；102mm≥弦长c≥56mm；其截面积A 由908.5mm²单调减小至133mm²；其安装角a由78°单调减小至10°；其前缘小圆半径r1由2.3mm单调减小至0.6mm；其尾缘小圆半径r2由1.5mm单调减小至0.5mm

优选地，所述围带包括整体呈条状的带体；带体的两侧壁表面为弧状。

优选地，所述带体左右两侧的第一侧壁与第二侧壁分别向带体内凹陷，第一侧壁与第二侧壁的表面为圆弧面。

优选地，所述围带两端头的结构间可对接；围带的两端头包括第一端头与第二端头；第一端头与第二端头对接的截面呈倒“V”形。

优选地，所述第一端头凸出呈“V”形的凸起；“V”形的凸起侧边底部设有一卡位口。

优选地，所述卡位口外侧的带体凸出有定位角。

优选地，所述第一端头凹陷呈“V”形的凹槽；“V”形的凹槽底端设有一缓冲口。

一种变转速工业汽轮机末级的叶片组合，包括叶片，所述叶片沿基点为中心排列，叶片排列类似圆环形，相邻叶片沿基点的圆心夹角相等。

优选地，在静态不工作时：相邻叶片顶部的围带接触性连接，相邻叶片中部的凸台间接触性连接。

优选地，在动态工作时：相邻叶片顶部的围带抵触性连接，相邻叶片中部的凸台间接触性连接。

本申请与现有技术相比，至少具有以下明显优点和效果：

1、本申请采用全三元流动设计技术，兼顾叶片的静强度，且在额定设计工况下，级效率达到在0～ 8000r/min范围内依旧可靠运行，并具有较高的高效性、安全性及可靠性。

2、利用围带整圈自锁排列的阻尼叶片结构，减小叶片自激振和动应力，使得叶片能够在最高转速下端负荷达到57.12t/(h*m²)。

附图说明

图1是本申请中叶片的结构组成图。

图2是本申请图1的截面原理图。

图3是本申请中围带的结构示意图。

图4是本申请中围带的对接自锁图。

图5是本申请图4中A位置的局部放大图。

图6是本申请中凸台的剖面排列图

图7是本申请中叶身的截面特征参数图。

图8是本申请中叶片与中间体的安装截面图。

图9是本申请中叶根的结构示意图。

图10是本申请中叶片排列呈扇形的示意图。

部件列表

100	叶片
		1	围带
2	凸台
		3	叶身
4	叶根
		5	中间体
11	带体
		12	第一侧壁
13	第二侧壁
		14	第一端头
15	第二端头
		141	卡位口
142	定位角
		151	缓冲口

具体实施方式

结合附图和以下说明描述了本申请的特定实施例以教导本领域技术人员如何制造和使用本申请的最佳模式。为了教导申请原理，已简化或省略了一下常规方面。本领域技术人员应该理解源自这些实施例的变形落在本申请的范围内。本领域技术人员应该理解下述特征能够以各种方式结合以形成本申请的多个变型。本申请中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。由此，本申请并不局限于下述特定实施例，而仅由权利要求和它们的等同物限定。

图1至10示出了本申请变转速工业汽轮机末级的叶片的一种实施例。

叶片100应用于工业汽轮机的变速旋转中，叶片100在极苛刻的条件下承受高温、高压、巨大的离心力、蒸汽力、蒸汽激振力、腐蚀和振动以及湿蒸汽区水滴冲蚀的共同作用，完成动力转换。

如图1、2中所示，本申请实施例中，该叶片100包括围带1、凸台2、叶身3和叶根4，所述围带1 位于叶身3的顶部，叶根4位于叶身3的底部，凸台2位于叶身3的中部位置，其中，在叶根4上还设有中间体5，叶身3安装于中间体5上进行运行，以保证整体的旋转性及动力转换性。

其中，凸台2为椭圆台，凸台2距叶底截面L＝206mm，椭圆长、短轴半径分别为8.5mm和4mm，其长短轴半径分别为8.5mm和4mm，具有较高的支撑强度。

如图3所示，本申请实施例中，围带1包括整体呈条状的带体11；带体11的两侧壁表面为弧状，截面呈弧形状具有较高的抗冲击性，可为外凸出或内凹状的圆弧结构。其中，沿着带体11左右两侧的第一侧壁12与第二侧壁13分别向带体11内凹陷，向内的凹陷可形成较长的围带1且质量轻，因此，第一侧壁12与第二侧壁13的表面为向内凹陷的圆弧面。

如图4所示，本申请实施例中，围带1两端头为对接的结构，围带1间对接形成组合，相邻围带1可结合为扇形。当然，若干扇形也可组合为圆环形。

其中，围带1上下位置的两端头包括第一端头14与第二端头15，将两个端头对接形成自锁结构，该自锁结构为插接式的自锁结构。其中，自锁结构的截面为“V”形，在图4中第一端头14与第二端头15 对接的截面呈倒“V”形，便于对接结合。

具体的放大，图4中A位置的局部结构，第一端头14凸出呈“V”形的凸起；“V”形的凸起侧边底部设有一卡位口141。卡位口141类似圆弧状，具有较高的缓冲形，利用卡位口141包裹第二侧壁13底端的头，以抵抗运动中受力导致的变形，卡位口141包裹侧壁13底端时，形成围带1间的结合及定位。

为进一步提高卡位口141结合包裹及定位的稳定性，沿着卡位口141外侧的带体11凸出一定位角142，该定位角142呈圆弧形凸出，具有分解受力抵抗性较高，且不易变形破损的效果。

需要说明的是，第一端头14凹陷呈“V”形的凹槽；“V”形的凹槽底端设有一缓冲口151，利用缓冲口151容纳第一端头14在运动中的挤压变形，提供缓冲的空间，避免第一端头14顶端在运行中应力较大，极大提高围带1端头位置在运行中抵抗冲击的效果。

如图5、6所示，本申请实施例中，为了提高叶片的强度振动特性，采用圆环形的自锁结构，通过调整围带1的形状和厚度以及凸台的形状和位置，以获得较高的强度及振动特性，可以设置围带1厚度h为 5mm，两凸台2在静止状态下保持接触。

如图7中所示，本申请实施例中，叶片100各个截面的特征参数变化规律如下：

叶身3相对叶高由0单调增加到1，从叶底的截面到叶顶的截面，各个截面参数呈以下规律：

叶身的最大厚度b由11mm单调减小至3.5mm；其型线宽度Wx由100mm单调减小至11mm；其节距p由25mm单调增加至55.5mm；102mm≥弦长c≥56mm；其截面积A由908.5mm²单调减小至133mm²；其安装角a由78°单调减小至10°；其前缘小圆半径r1由2.3mm单调减小至0.6mm；其尾缘小圆半径r2 由1.5mm单调减小至0.5mm，形成三元流动的设计技术，兼顾叶片100的静态强度，在动态运行下，叶片100的级效率达到在0～8000r/min范围内仍然运行可靠，且较为安全，兼顾高效性。

需要说明的是，叶身3通过多个截面采用光滑过渡连接而成，叶高即叶身3高度H为375mm，平均直径为1005mm，环形通道面积为1.184mm²。

如图8、9中所示，本申请实施例中，为了进一步降低叶根4、轮缘未标记的峰值应力以提高叶片100 的低周疲劳寿命，在现有的三齿枞树型叶根基础上进行叶根4的全尺寸优化，综合叶根4和轮槽的接触面积、各个齿的圆角大小、叶根4和轮槽的配合间隙、叶根4各个齿的应力集中等多个可优化项进行优化，获得最终的叶根型线，兼顾叶根4、轮槽的平均应力以及对于叶型的包裹性，因此确定叶根4的轴向宽度 W为123.5mm，叶根4的安装角R为12°，具有较高的抗拉性。

如图10所示，叶片100的扇形排列图，叶片100的组合呈圆盘形结构进行工作，在变转速工业汽轮机末级的圆环形叶片组合中，叶片100沿着基点o排列呈圆环形结构，圆环形排列的相邻叶片100间，沿基点o或中心点形成圆形，相邻叶片100件的圆心夹角为相等，该圆心夹角的范围在6°至12°的范围内排列，具有较高的工作强度。

其中，在静止状态下，围带1、凸台2呈贴合状态，在工作状态下，通过离心力的作用，叶片100会产生一定反扭。利用反扭，相邻围带1间、相邻凸台2间产生一定的正压力和摩擦力，从而提高了整圈叶片100的阻尼，使得叶片100呈现整圈成组自锁的特性，以提高叶片100的强度振动特性。

因此，在静态不工作时：相邻叶片100顶部的围带1接触性连接，相邻叶片100中部的凸台2间接触性连接。在动态工作时：相邻叶片100顶部的围带1抵触性连接，相邻叶片100中部的凸台2间接触性连接。

在本申请中，叶片100总体结合为整体：叶片100整体采用通流设计程序设计了的各个截面的基本叶型要素以及安装位置，再通过全三元气动设计软件对其进行通流设计优化，得到叶型各个截面的基本特征。

采用合适的合金钢和转子材料，按照本申请的设计制造的变转速末级动叶片100，自叶底截面至叶顶截面平滑过渡，考虑水蚀对叶片结构的影响，在叶身进汽边背弧处设有激光硬化部分，如图2所示，硬化高度g根据实际需要而定。

本申请实施例中的变转速工业汽轮机末级动叶片100，其中叶身3采用全三元气动设计技术设计，通过多个截面多个特征值控制叶身3型线，并通过整圈自锁结构形式设计而成的动叶片，使得叶片100具非常高的端负荷耐受性的同时，具有优秀的气动特性。在额定工况可调范围可以适应到转速6000～8000r/min 内，且能够允许端负荷极限达到57.12t/(h*m2)，其允许常运行工况的转速范围为0～8000r/min。本发明具有结构设计合理，叶片100装配方便，强度等级高，可用范围大等技术特点，能够具有广阔的市场应用前景。

由于本领域技术人员能够很容易想到，利用申请的构思和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种变转速工业汽轮机末级的叶片，所述叶片(100)包括围带(1)、凸台(2)、叶身(3)和叶根(4)，所述围带(1)位于叶身(3)的顶部，叶根(4)位于叶身(3)的底部，凸台(2)位于叶身(3)的中部位置；其特征在于：所述叶身(3)从底部到顶部，呈以下规律：

最大厚度b由11mm单调减小至3.5mm；型线宽度Wx由100mm单调减小至11mm；节距p由25mm单调增加至55.5mm；102mm≥弦长c≥56mm；截面积A由908.5mm²单调减小至133mm²；安装角a由78°单调减小至10°；前缘小圆半径r1由2.3mm单调减小至0.6mm；尾缘小圆半径r2由1.5mm单调减小至0.5mm。

2.根据权利要求1所述变转速工业汽轮机末级的叶片，其特征在于：所述围带(1)包括整体呈条状的带体(11)；带体(11)的两侧壁表面为弧状。

3.根据权利要求2所述变转速工业汽轮机末级的叶片，其特征在于：所述带体(11)左右两侧的第一侧壁(12)与第二侧壁(13)分别向带体(11)内凹陷，第一侧壁(12)与第二侧壁(13)的表面为圆弧面。

4.根据权利要求1或权利要求2所述变转速工业汽轮机末级的叶片，其特征在于：所述围带(1)两端头的结构间可对接；围带(1)的两端头包括第一端头(14)与第二端头(15)；

第一端头(14)与第二端头(15)对接的截面呈倒“V”形。

5.根据权利要求4所述变转速工业汽轮机末级的叶片，其特征在于：所述第一端头(14)凸出呈“V”形的凸起；“V”形的凸起侧边底部设有一卡位口(141)。

6.根据权利要求5所述变转速工业汽轮机末级的叶片，其特征在于：所述卡位口(141)外侧的带体(11)凸出有定位角(142)。

7.根据权利要求5所述变转速工业汽轮机末级的叶片，其特征在于：所述第一端头(14)凹陷呈“V”形的凹槽；“V”形的凹槽底端设有一缓冲口(151)。

8.一种变转速工业汽轮机末级的叶片组合，其特征在于：包括如权利要求1至权利要求7任一权利要求所述的叶片(100)，所述叶片(100)沿点(o)为中心排列，相邻叶片(100)沿点(o)的圆心夹角相等。

9.根据权利要求8所述变转速工业汽轮机末级的叶片组合，其特征在于：在静态不工作时，相邻叶片(100)顶部的围带(1)接触性连接，相邻叶片(100)中部的凸台(2)间接触性连接。

10.根据权利要求8所述变转速工业汽轮机末级的叶片组合，其特征在于：在动态工作时，相邻叶片(100)顶部的围带(1)抵触性连接，相邻叶片(100)中部的凸台(2)间接触性连接。

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