專利名稱：空冷汽輪機(jī)末級(jí)動(dòng)葉片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及空冷汽輪機(jī)的動(dòng)葉片，尤其是適用于功率500麗 IOOO麗，轉(zhuǎn)速3000rpm的亞臨界、超臨界、超超臨界空冷汽輪機(jī)。。
背景技術(shù)：
空冷汽輪機(jī)是一種特殊的蒸汽輪機(jī)，特殊性表現(xiàn)在它經(jīng)常處于高背壓小容積流量工況運(yùn)行，且背壓變化范圍大、變化頻繁，這些運(yùn)行條件極大地限制了末級(jí)葉片的設(shè)計(jì)。且空冷汽輪機(jī)的經(jīng)濟(jì)性與安全性在很大程度上與低壓末級(jí)的熱力、氣動(dòng)、強(qiáng)度、振動(dòng)設(shè)計(jì)密切相關(guān)，其中尤以低壓末級(jí)葉片設(shè)計(jì)難度最大，必須統(tǒng)籌兼顧，進(jìn)行繁雜的多因素約束條件下的方案設(shè)計(jì)優(yōu)選，才能設(shè)計(jì)出高性能的末級(jí)葉片。 世界上各大汽輪機(jī)廠家均擁有自己風(fēng)格的適合于大容量空冷機(jī)的末級(jí)葉片。如申請(qǐng)人早期申請(qǐng)的一種汽輪機(jī)末級(jí)動(dòng)葉片(中國(guó)專利說(shuō)明書CN101349168A)，適合于葉片有效高度大于1200mm，功率為600麗-1200麗，轉(zhuǎn)速3000rpm的亞臨界、超臨界汽輪機(jī)。但對(duì)于葉片高度為770mm，功率為500麗-1000麗，轉(zhuǎn)速3000rpm的亞臨界、超臨界、超超臨界空冷汽輪機(jī)，現(xiàn)有葉片的動(dòng)應(yīng)力高，機(jī)組經(jīng)濟(jì)性較差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種結(jié)構(gòu)合理，動(dòng)應(yīng)力低，適用于500麗 IOOO麗等級(jí)的空冷汽輪機(jī)末級(jí)動(dòng)葉片。 為了解決以上技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的空冷汽輪機(jī)末級(jí)動(dòng)葉片，具有葉身和葉根，所述葉身的頂部有圍帶，腰部有凸臺(tái)拉筋，葉根、葉身、凸臺(tái)拉筋、圍帶是整體結(jié)構(gòu)；其特征在于，所述葉身是由若干特征截面按一特定規(guī)律迭合而成的異形體，其有效高度為L(zhǎng)d =770. Omm、根徑為Dr = 1905mm ;所述特征截面的輪廓型線是由內(nèi)弧曲線和背弧曲線圍成的封閉曲線，具有特征參數(shù)安裝角cl、弦長(zhǎng)bl、最大厚度wl、截面積A工；截面的迭合規(guī)律是，沿葉高方向自根端向頂端，各截面連續(xù)光滑過(guò)渡；葉高的相對(duì)值由0. 0單調(diào)增加到1. 0 ;與之相對(duì)應(yīng)，安裝角cl由70.58°單調(diào)減小到13.67。；從根截面到頂截面的面積A變化規(guī)律為4. 68 > A > 1. 0，從根截面到頂截面的軸向?qū)挾萖a變化規(guī)律為4. 628 > Xa > 1. 0，從根截面到頂截面的弦長(zhǎng)bl變化規(guī)律為1. 612《bl > 1. O，從根截面到頂截面的最大厚度Wl變化規(guī)律為2. 214 > Wl > 1. 0。所述凸臺(tái)拉筋截面為橢圓形，其厚度B滿足關(guān)系式20mm《B《30mm ;
所述凸臺(tái)拉筋的工作面與X軸的夾角B2滿足關(guān)系式
A2 = T2 C0SB2 ;55°《B2《75° 。
所述凸臺(tái)拉筋的高度Lj滿足關(guān)系式
0. 5 < Lj/H < 0. 75 所述圍帶的工作面與X軸的夾角Bl滿足關(guān)系式
Al = Tl C0SB1 ;30°《Bl《50° 。
所述葉根是4齒直線形揪樹型葉根。 本發(fā)明的動(dòng)葉片頂截面以下的葉身部分設(shè)計(jì)了若干個(gè)典型截面型線，各典型截面之間的葉型采用型面光滑連接，高次樣條插值求出。葉身沿葉高方向氣動(dòng)特征為根部為亞音速葉型、中部為跨音速葉型、頂部為超音速葉型。超音速葉型截面是葉型設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。為了協(xié)調(diào)強(qiáng)度和氣動(dòng)對(duì)葉型的制約，通過(guò)對(duì)葉型參數(shù)的優(yōu)化改進(jìn)，最終基本實(shí)現(xiàn)了沿葉高等強(qiáng)度極限應(yīng)力設(shè)計(jì)，同時(shí)滿足葉根強(qiáng)度和葉片氣動(dòng)性能的要求。凸臺(tái)拉筋結(jié)構(gòu)的參數(shù)設(shè)計(jì)使葉片在額定轉(zhuǎn)速時(shí)工作面接觸形成合適的壓應(yīng)力，增加葉片的阻尼，大幅度降低葉片動(dòng)應(yīng)力，同時(shí)提高葉片剛性。圍帶在葉片工作時(shí)增加葉片剛性，使靜態(tài)下的自由葉片在額定轉(zhuǎn)速時(shí)較大地限制了葉頂?shù)呐まD(zhuǎn)恢復(fù)，形成整圈約束結(jié)構(gòu)，大幅度降低葉片動(dòng)應(yīng)力。
本發(fā)明的空冷末級(jí)葉片采用較先進(jìn)的結(jié)構(gòu)型式-阻尼式自帶圍帶，整體拉筋，葉根采用大承載的直線形揪樹型葉根設(shè)計(jì)，使葉片的技術(shù)水平達(dá)到世界先進(jìn)水平，具有較高
的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。它不但適用于四排汽iooo麗空冷汽輪機(jī)，而且可推廣應(yīng)用于兩排汽
500麗等級(jí)亞臨界(或超臨界)等級(jí)空冷汽輪機(jī)，從而可減少一個(gè)低壓缸，大大減少設(shè)備投資和基建及運(yùn)行維修費(fèi)用，具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。


本發(fā)明將通過(guò)實(shí)施例并參照附圖的方式說(shuō)明，其中 圖1是本葉片的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2是拉筋結(jié)構(gòu)示意圖。 圖3是圖2的A向結(jié)構(gòu)示意圖。 圖4是圍帶結(jié)構(gòu)示意圖。 圖5是葉身截面示意圖。 圖6是葉片頂部超音速葉型截面馬赫數(shù)分布圖。
具體實(shí)施例方式
本說(shuō)明書中公開的所有特征，除了互相排斥的特征以外，均可以以任何方式組合。本說(shuō)明書中公開的任一特征，除非特別敘述，均可被其他等效或具有類似目的的替代特征加以替換。即，除非特別敘述，每個(gè)特征只是一系列等效或類似特征中的一個(gè)例子而已。
本動(dòng)葉片的設(shè)計(jì)載體選擇空冷4F-1000麗等級(jí)汽輪機(jī)，此機(jī)最適宜的設(shè)計(jì)背壓為13.0Kpa，在此設(shè)計(jì)背壓范圍內(nèi)，最終方案確定的末級(jí)動(dòng)葉片其結(jié)構(gòu)參見圖1。葉片采用合適的合金鋼葉片和轉(zhuǎn)子材料，動(dòng)葉片由4個(gè)部分組成，分別是圍帶1，阻尼凸臺(tái)拉筋2，葉身3，葉根4。各部分是用同一種高強(qiáng)度性能的合金鋼整體地制造完成。
(1)葉身設(shè)計(jì) 葉身結(jié)構(gòu)參見圖1和圖4。葉身的有效高度H為770.0mm，根徑Drl905mm(圖中未示出)，其環(huán)形面積等于6. 47m2，以此根徑和葉高為基準(zhǔn)設(shè)計(jì)完成了低壓模塊的通流。 一般的設(shè)計(jì)原則是低壓末三級(jí)作為一個(gè)積木塊進(jìn)行通流匹配設(shè)計(jì)，針對(duì)不同的機(jī)型，通過(guò)設(shè)計(jì)低壓前幾級(jí)，可以實(shí)現(xiàn)不同功率的低壓通流模塊。動(dòng)葉片流道中的流動(dòng)特性復(fù)雜，沿葉高均存在從亞音速、跨音速、超音速流動(dòng)變化，型線氣動(dòng)特性的優(yōu)劣是葉片設(shè)計(jì)成功的關(guān)鍵要素之一。以氣動(dòng)性能最佳為目標(biāo)，分別設(shè)計(jì)一套靜、動(dòng)葉基本型線，基本型線常常不能滿足葉片的結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度、振動(dòng)設(shè)計(jì)要求，在后續(xù)的葉片的結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度、振動(dòng)設(shè)計(jì)時(shí)，可以對(duì)基型進(jìn)行相似?；O(shè)計(jì)，這樣不僅可滿足結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度、振動(dòng)設(shè)計(jì)要求，而且能保證氣動(dòng)性能基本不變。在完成基本葉型之上，進(jìn)行末級(jí)葉片的流型及三維氣動(dòng)分析研究。流型研究主要是在整缸(至少末三級(jí))環(huán)境下，利用準(zhǔn)三維方法來(lái)設(shè)計(jì)級(jí)的焓降、速比、反動(dòng)度沿葉高分布等流型參數(shù)。在可控渦流型設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對(duì)靜動(dòng)葉進(jìn)行三維空間積迭設(shè)計(jì)。靜葉主要采用切向和軸向復(fù)合彎扭成型，以最高效率為目標(biāo)；動(dòng)葉主要采用動(dòng)態(tài)重心重合且通過(guò)輻射線的扭轉(zhuǎn)成型設(shè)計(jì)，以葉片在工作狀態(tài)時(shí)離心力產(chǎn)生的彎應(yīng)力(對(duì)葉身和葉根)最小及最高效率為目標(biāo)。如前所述，氣動(dòng)設(shè)計(jì)和葉片的結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度、振動(dòng)設(shè)計(jì)相互耦合，有時(shí)是不可調(diào)和的，先進(jìn)的末級(jí)長(zhǎng)葉片設(shè)計(jì)就是要達(dá)到葉片的氣動(dòng)特性和結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度、振動(dòng)特性的良好協(xié)調(diào)，使葉片具有高的可靠性和高經(jīng)濟(jì)性。 采用專用的通流設(shè)計(jì)程序設(shè)計(jì)了本末級(jí)葉片沿葉高各截面的基本葉身要素及安裝位置，沿葉高各基本葉身的特征是氣動(dòng)特征為根部為亞音速葉型、中部為跨音速葉型、頂部為超音速葉型。葉身是由若干特征截面按一特定規(guī)律迭合而成的異形體，特征截面的輪廓型線是由內(nèi)弧曲線5和背弧曲線6圍成的封閉曲線，葉身的橫截面積沿高度單調(diào)減小，呈塔形變化，安裝角cl由70.58°單調(diào)減小到13.67° ;從根截面到頂截面的面積A(圖中未示出)變化規(guī)律為4. 68 > l.O，從根截面到頂截面的軸向?qū)挾萖a變化規(guī)律為4. 628 > Xa > 1. 0，從根截面到頂截面的弦長(zhǎng)bl變化規(guī)律為1. 612 > bl > 1. O，從根截面到頂截面的最大厚度Wl變化規(guī)律為2. 214 > Wl > 1. 0?；救~型沿高度單調(diào)扭轉(zhuǎn)成型?；救~型的出口幾何角沿高度單調(diào)可控地減小。采用全三維氣動(dòng)分析程序分析并優(yōu)化設(shè)計(jì)了各葉身截面沿葉高的成型規(guī)律，同時(shí)保證各典型截面之間的型面光滑連接，最終實(shí)現(xiàn)本葉片級(jí)流場(chǎng)特性的優(yōu)化。 從圖6所示的頂部超音速葉型截面馬赫數(shù)分布圖可知，頂部超音葉型線具有非常優(yōu)良的氣動(dòng)特性，適應(yīng)頂部高超音速流動(dòng)的特性。 (2)凸臺(tái)拉筋結(jié)構(gòu)、圍帶結(jié)構(gòu)-大變形阻尼葉片的連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
由于在工作狀態(tài)下，葉片中上部分的截面相對(duì)于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)有較大的扭轉(zhuǎn)變形，采用結(jié)構(gòu)有限元分析方法優(yōu)化設(shè)計(jì)了葉片的連接結(jié)構(gòu)。在葉身上高度為L(zhǎng)j的位置設(shè)置凸臺(tái)拉筋結(jié)構(gòu)，見圖2、圖3。凸臺(tái)拉筋的高度Lj滿足關(guān)系式0. 5 < Lj/Ld < 0. 75，凸臺(tái)拉筋截面為橢圓形，其背弧工作面S2、內(nèi)弧工作面P2是相互平行的平面；A2為工作面S2、P2間的距離，T2為背、內(nèi)弧工作面S2、 P2幾何中心間的距離，S2面與汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子中軸線X軸的夾角B2滿足關(guān)系式該凸臺(tái)厚度B滿足20mm〈B < 30mm。凸臺(tái)拉筋工作面與X軸的夾角B2滿足關(guān)系式A2 = T2 C0SB2 ;55°《B2《75° 。 本拉筋結(jié)構(gòu)的功能是在額定轉(zhuǎn)速時(shí)工作面接觸形成合適的壓應(yīng)力，增加葉片的阻尼，大幅度降低葉片動(dòng)應(yīng)力，同時(shí)提高葉片剛性。 與葉身自成一體的圍帶結(jié)構(gòu)圍帶結(jié)構(gòu)見圖3，其厚度Hl (10mm < Hl < 20mm)，自帶圍帶結(jié)構(gòu)在氣動(dòng)方面阻止了葉頂?shù)臋M向竄流和徑向流，在約轉(zhuǎn)速Nl轉(zhuǎn)/分時(shí)，圍帶工作面S1與相鄰葉片圍帶工作面P1接觸，產(chǎn)生較大的壓應(yīng)力F1，圍帶工作面與X軸(軸向)的夾角Bl滿足關(guān)系式A1 = T1*C0SB1，30°《Bl《50° ，在葉片工作時(shí)增加葉片剛性，使靜態(tài)下的自由葉片在額定轉(zhuǎn)速時(shí)較大地限制了葉頂?shù)呐まD(zhuǎn)恢復(fù)，形成整圈約束結(jié)構(gòu)，大幅度降低葉片動(dòng)應(yīng)力。
連接結(jié)構(gòu)的接觸轉(zhuǎn)速滿足關(guān)系式0《Nl《2500轉(zhuǎn)/分。工作面壓應(yīng)力Fl滿足
關(guān)系式:0. 0136 < Fl《0. 054倍材料的強(qiáng)度極限。(3)葉根設(shè)計(jì)葉根4為4齒直線形揪樹型葉根，葉片與轉(zhuǎn)子結(jié)合牢固、穩(wěn)定，且便于與轉(zhuǎn)子裝配，
操作簡(jiǎn)便、快捷。
圖1-圖5中的部分參數(shù)定義H-葉身有效高度葉身頂截面與葉身根截面之間的距離。Hl-圍帶厚度。Lj-凸臺(tái)拉筋位置高度葉身根截面與凸臺(tái)拉筋中心的垂直距離。B-凸臺(tái)拉筋的厚度。Al-圍帶工作面S1、P1之間的距離。Bl° -圍帶工作面SLPl與X軸的水平夾角。T-節(jié)距相鄰兩葉片同一高度截面在周向的安裝距離。bl-葉身截面弦向?qū)?。Xa-葉身根截面軸向?qū)挾取?1-葉身根截面出口喉寬出口邊與相鄰葉身截面背弧的最小距離。al。
_出口幾何角sin—乂01/T)。cl° -葉身安裝角弦長(zhǎng)線與周向(Y向)的夾角。w-葉根軸向?qū)挾取１景l(fā)明的葉片通過(guò)葉根安裝在轉(zhuǎn)軸外圓上的葉輪槽中，每圈輪槽安裝70只葉片，
當(dāng)葉輪上一周的葉輪槽中均裝上葉片后，就形成了大功率汽輪機(jī)的末級(jí)。對(duì)iooo麗等級(jí)的
空冷汽輪機(jī)，每臺(tái)機(jī)組需要正反共四級(jí)(4個(gè)排氣口 )，對(duì)500麗等級(jí)的空冷汽輪機(jī)，每臺(tái)機(jī)組需要正反共2級(jí)(2個(gè)排氣口 )，具有這樣大的排汽面積的汽輪機(jī)才能滿足大容量，高經(jīng)濟(jì)性，高發(fā)電密度的要求。為發(fā)電廠節(jié)省大量的設(shè)備投資和維修費(fèi)用，提高其經(jīng)濟(jì)效益。
需要說(shuō)明的是，本發(fā)明并不局限于前述的具體實(shí)施方式
。本發(fā)明擴(kuò)展到任何在本說(shuō)明書中披露的新特征或任何新的組合。
權(quán)利要求
一種空冷汽輪機(jī)末級(jí)動(dòng)葉片，具有葉身和葉根，所述葉身的頂部有圍帶，腰部有凸臺(tái)拉筋，葉根、葉身、凸臺(tái)拉筋、圍帶是整體結(jié)構(gòu)；其特征在于所述葉身是由若干特征截面按一特定規(guī)律迭合而成的異形體，其有效高度為H＝770.0mm、根徑為Dr＝1905mm；所述特征截面的輪廓型線是由內(nèi)弧曲線和背弧曲線圍成的封閉曲線，具有特征參數(shù)安裝角c1、弦長(zhǎng)b1、最大厚度w1、截面積A；截面的迭合規(guī)律是，沿葉高方向自根端向頂端，各截面連續(xù)光滑過(guò)渡；葉高H的相對(duì)值由0.0單調(diào)增加到1.0；與之相對(duì)應(yīng)，安裝角c1由70.5°單調(diào)減小到13.67°；從根截面到頂截面的面積A變化規(guī)律為4.68≥A≥1.0，從根截面到頂截面的軸向?qū)挾萖a變化規(guī)律為4.628≥Xa≥1.0，從根截面到頂截面的弦長(zhǎng)b1變化規(guī)律為1.612≥b1≥1.0，從根截面到頂截面的最大厚度W1變化規(guī)律為2.214≥W1≥1.0。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的空冷汽輪機(jī)末級(jí)動(dòng)葉片，其特征在于所述凸臺(tái)拉筋截面為橢圓形，其厚度B滿足關(guān)系式20mm《B《30mm ;所述凸臺(tái)拉筋的工作面與X軸的夾角B2滿足關(guān)系式A2 = T2 C0SB2 ;55°《B2《75° ;凸臺(tái)拉筋的高度Lj滿足關(guān)系式0. 5 < Lj/H < 0. 75。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的空冷汽輪機(jī)末級(jí)動(dòng)葉片，其特征在于，所述圍帶的工作面與X軸的夾角Bl滿足關(guān)系式Al = Tl C0SB1 ;30°《Bl《50° 。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的空冷汽輪機(jī)末級(jí)動(dòng)葉片，其特征在于，所述葉根是4齒直線形揪樹型葉根。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種空冷汽輪機(jī)末級(jí)動(dòng)葉片，其有效高度為H＝770.0mm、根徑為Dr＝1905mm；葉高的相對(duì)值由0.0單調(diào)增加到1.0；安裝角c1由70.58°單調(diào)減小到13.67°；從根截面到頂截面的面積A變化規(guī)律為4.68≥A≥1.0，從根截面到頂截面的軸向?qū)挾萖a變化規(guī)律為4.628≥Xa≥1.0，從根截面到頂截面的弦長(zhǎng)b1變化規(guī)律為1.612≥b1≥1.0，從根截面到頂截面的最大厚度W1變化規(guī)律為2.214≥W1≥1.0。該末級(jí)動(dòng)葉片適用于功率500MW～1000MW，轉(zhuǎn)速3000rpm的亞臨界、超臨界、超超臨界空冷汽輪機(jī)。
文檔編號(hào)F01D5/22GK101725373SQ20091031015
公開日2010年6月9日 申請(qǐng)日期2009年11月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月20日
發(fā)明者剛云, 吳其林, 周顯丁, 巫志華, 李澤培, 范小平, 范志飛 申請(qǐng)人:東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司