專(zhuān)利名稱(chēng)：空冷汽輪機(jī)次末級(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低壓末3級(jí)動(dòng)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三級(jí)的熱力、氣動(dòng)、強(qiáng)度、 振動(dòng)設(shè)計(jì)密切相關(guān)，其中低壓次末級(jí)葉片、末級(jí)葉片設(shè)計(jì)難度大，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)出高性能的與末級(jí)葉片相匹配的次末級(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)的與末級(jí)葉片相 匹配的次末級(jí)葉片，其屬于第二、三代空冷次末級(jí)葉片，結(jié)構(gòu)落后，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)次末級(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)次末級(jí)動(dòng)葉片，具有葉身和葉根，所 述葉身的頂部有圍帶，葉根、葉身、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H = 420. Omm、根徑Dr = 1905mm ;所述特 征截面的輪廓型線(xiàn)是由內(nèi)弧曲線(xiàn)和背弧曲線(xiàn)圍成的封閉曲線(xiàn)，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cl由80. 66°減小 到28. 56° ;從根截面到頂截面的面積A變化規(guī)律為3. 309 > A > 1. 0，從根截面到頂截面 的軸向?qū)挾萖a變化規(guī)律為2. 173 ^Xa^ 1. 0，從根截面到頂截面的弦長(zhǎng)bl變化規(guī)律為 1. 053 > bl > 1. O，從根截面到頂截面的最大厚度Wl變化規(guī)律為2. 137 > Wl > 1. 0。
所述圍帶的工作面與X軸的夾角Bl滿(mǎn)足關(guān)系式
Al = Tl C0SB1 ;30°《Bl《50° 。 所述葉根是4齒斜齒形揪樹(shù)型葉根，其葉根中心線(xiàn)與X軸的夾角B2滿(mǎn)足關(guān)系式 6°《B2《15° 。 在總結(jié)第二、三代空冷汽輪機(jī)次末級(jí)、末級(jí)葉片設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，為滿(mǎn)足市場(chǎng)對(duì)更 大容量空冷機(jī)的需求，應(yīng)用當(dāng)代先進(jìn)的設(shè)計(jì)技術(shù)，成功完成了適用于500麗 IOOO麗等級(jí) 的770. Omm空冷汽輪機(jī)末級(jí)葉片及與其匹配的420. Omm空冷汽輪機(jī)次末級(jí)葉片的設(shè)計(jì)。新 開(kāi)發(fā)的420. Omm空冷次末級(jí)葉片具有較先進(jìn)的結(jié)構(gòu)型式_阻尼式自帶圍帶，葉根采用大承 載的斜齒形揪樹(shù)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
3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)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l是葉片的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2是葉根結(jié)構(gòu)示意圖。 圖3是圖2的D1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。
具體實(shí)施例方式
本說(shuō)明書(shū)中公開(kāi)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(shū)中公開(kāi)的任一特征，除非特別敘述，均可被其他等效或具有類(lèi)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(lèi)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. OKpa，在此設(shè)計(jì)背壓范圍內(nèi)，最終方案確定的次末級(jí)動(dòng)葉片其結(jié)構(gòu)參見(jiàn)圖l。葉片采用合 適的合金鋼葉片和轉(zhuǎn)子材料，動(dòng)葉片由3個(gè)部分組成，分別是圍帶l，葉身2，葉根3。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(jiàn)圖1和圖4。由于本發(fā)明的次末級(jí)動(dòng)葉片系與氣道高為770. Omm的 末級(jí)動(dòng)葉片配套，因此確定本發(fā)明的次末級(jí)動(dòng)葉片氣道高H(有效高度)為420. Omm，根徑為 1905mm，其環(huán)形面積等于3.07m2。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(xiàn)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(xiàn)，基本型線(xiàn)常常不能滿(mǎn)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) 行相似模化設(shè)計(jì)，這樣不僅可滿(mǎn)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)行次末級(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(xiàn)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)的次末級(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(zhuān)用的通流設(shè)計(jì)程序設(shè)計(jì)了本次末級(jí)葉片沿葉高各截面的基本葉身要素及
4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。如圖5
所示，特征截面的輪廓型線(xiàn)是由內(nèi)弧曲線(xiàn)5和背弧曲線(xiàn)6圍成的封閉曲線(xiàn)，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80. 66°減小到28. 56° ;從根截面到頂截面 的面積A變化規(guī)律為3. 309 > A > l.O，從根截面到頂截面的軸向?qū)挾萖a變化規(guī)律為 2. 173 > Xa > 1. O，從根截面到頂截面的弦長(zhǎng)bl變化規(guī)律為1. 053 > bl > 1. O，從根截面 到頂截面的最大厚度W1變化規(guī)律為2. 137 ^W1 > 1.0。基本葉型沿高度單調(diào)扭轉(zhuǎn)成型。 基本葉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。 (2)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)。設(shè)計(jì)了與葉身自成一體的圍帶結(jié) 構(gòu)見(jiàn)圖3，其厚度為Hl滿(mǎn)足關(guān)系式10mm〈Hl < 20mm，傾角為B3 (圖1示出)滿(mǎn)足關(guān)系式 90°《B3《11(T ，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(Sl面)與相鄰葉片圍帶工作面(Pl面)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(mǎn)足關(guān)系式A1 = T1*C0SB1，35°《Bl《55° ， 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(mǎn)足關(guān)系式0《Nl《2500轉(zhuǎn)/分。工作面壓應(yīng)力滿(mǎn)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) 圖2-3所示的葉根為四齒斜齒形揪樹(shù)型葉根，葉根中心線(xiàn)4與X軸的水平夾角為 B2(6°《B2《15° )，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。 B3° -圍帶傾角 A1-圍帶工作面S1、P1之間的距離。 Bl° _圍帶工作面S1、P1與X軸的水平夾角。 B2° _葉根中心線(xiàn)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)挕?Xa-葉身根截面軸向?qū)挾取?01-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。-葉型安裝角弦長(zhǎng)線(xiàn)與周向(Y向)的夾角。
T-節(jié)距相鄰兩葉片同一高度截面在周向的安裝距離。 W-葉根軸向?qū)挾取?br> 本發(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)的次末級(jí)。對(duì)1000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(mǎn)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(shū)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)次末級(jí)動(dòng)葉片，具有葉身和葉根，所述葉身的頂部有圍帶，葉根、葉身、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H＝420.0mm、根徑Dr＝1905mm；所述特征截面的輪廓型線(xiàn)是由內(nèi)弧曲線(xiàn)和背弧曲線(xiàn)圍成的封閉曲線(xiàn)，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80.660減小到28.560；從根截面到頂截面的面積A變化規(guī)律為3.309≥A≥1.0，從根截面到頂截面的軸向?qū)挾萖a變化規(guī)律為2.173≥Xa≥1.0，從根截面到頂截面的弦長(zhǎng)b1變化規(guī)律為1.053≥b1≥1.0，從根截面到頂截面的最大厚度W1變化規(guī)律為2.137≥W1≥1.0。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的空冷汽輪機(jī)次末級(jí)動(dòng)葉片，其特征在于，所述圍帶的工作面 與X軸的夾角B1滿(mǎn)足關(guān)系式<formula>formula see original document page 2</formula>。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的空冷汽輪機(jī)次末級(jí)動(dòng)葉片，其特征在于，所述葉根是4齒斜齒 形揪樹(shù)型葉根，其葉根中心線(xiàn)與X軸的夾角B2滿(mǎn)足關(guān)系式6°《B2《15° 。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種空冷汽輪機(jī)次末級(jí)動(dòng)葉片，H＝420.0mm、根徑為Dr＝1905mm；葉高H的相對(duì)值由0.0單調(diào)增加到1.0；安裝角c1由80.66°減小到28.56°；從根截面到頂截面的面積A變化規(guī)律為3.309≥A≥1.0，從根截面到頂截面的軸向?qū)挾萖a變化規(guī)律為2.173≥Xa≥1.0，從根截面到頂截面的弦長(zhǎng)b1變化規(guī)律為1.053≥b1≥1.0，從根截面到頂截面的最大厚度W1變化規(guī)律為2.137≥W1≥1.0。該次末級(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)F01D5/30GK101725374SQ200910310168
公開(kāi)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)明者吳其林, 李昆, 李澤培, 李銀鳳, 李音, 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