本發(fā)明涉及汽輪機葉片技術，尤其是一種高背壓空冷汽輪機用末級動葉片，特別適用于背壓為0.05bar～0.4bar、轉速4000rpm以下范圍內變化的超高背壓空冷工業(yè)汽輪機。

背景技術：

空冷汽輪機在國內電力行業(yè)和工業(yè)驅動行業(yè)的需求量不斷增加，其高效設計逐漸凸現(xiàn)其重要性?？绽錂C組是一種典型的變工況運行機組，相對于水冷機組，空冷機組的設計背壓高且背壓變化范圍大，大氣的環(huán)境溫度變化范圍大，致使末級葉片必須滿足能由阻塞工況到鼓風工況運行，尤其無論在低背壓、阻塞工況或高背壓、鼓風工況下，末級葉片的工作條件都十分惡劣，最大連續(xù)轉速高、功率大、轉速變化范圍廣（40%-110%）等特點致使低壓級組末級葉片成了設計中的關鍵環(huán)節(jié)，準確把握整個機組特別是低壓級組的通流性能，設計出高效可靠的變轉速空冷工業(yè)汽輪機末級葉片成為重要的發(fā)展目標。

公開技術中空冷汽輪機的設計也有多種，但結構、適用性各有特點，如專利公開號為CN101749052A，一種空冷給水泵汽輪機的末級動葉片，葉身由若干特征截面按一特定規(guī)律迭合而成的異形體，其葉身有效高度為H＝290.0mm、根徑為Dr＝815mm；具有特征參數(shù)安裝角c1、弦長b1、軸向寬度Xa、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)光滑過渡，葉高H的相對值由0.0單調增加到1.0；安裝角c1由79.330單調減小到30.880；弦長b1變化規(guī)律為：1.63≥b1≥1.0；軸向寬度Xa變化規(guī)律為：2.94≥Xa≥1.0；最大厚度w1變化規(guī)律為：1.3≥w1≥1.0；面積A變化規(guī)律為：3.03≥A≥1.0。這種結構特別適用于660MW的超臨界機組空冷汽輪機。又如專利公開號為CN101737091A設計的一種空冷給水泵汽輪機末級動葉片，葉身是由若干特征截面按一特定規(guī)律疊合而成的異形體，其葉身有效高度為H＝365.0mm、根徑為Dr＝906.8mm；具有特征參數(shù)安裝角c1、弦長b1、最大厚度w1、軸向寬度Xa、截面積A；截面的疊合規(guī)律是沿葉高方向自根端向頂端，各截面連續(xù)光滑過渡；葉高H的相對值由0.0單調增加到1.0；安裝角c1由81.830單調減小到13.670；弦長b1變化規(guī)律為1.61≥b1≥1.0；最大厚度w1變化規(guī)律為2.265≥w1≥1.0；軸向寬度Xa變化規(guī)律為3.75≥Xa≥1.0；面積A變化規(guī)律為4.58≥A≥1.0。這種結構特別適合用于1000MW超臨界機組空冷汽輪機。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決高效可靠的變轉速空冷工業(yè)汽輪機末級葉片技術問題，提供一種結構合理、裝配方便的高背壓空冷汽輪機用末級動葉片，具有良好的變工況性能和強度性能，尤其適用于背壓為0.05bar～0.4bar、轉速在4000rpm以下范圍內變化的超高背壓空冷工業(yè)汽輪機。

本發(fā)明的上述技術問題主要是通過下述技術方案得以解決的：一種高背壓空冷汽輪機用末級動葉片，包括一體式結構的葉身、葉根以及位于葉身腰部的凸臺拉筋，其特征在于所述葉身是由若干特征截面按設定規(guī)律疊合而成的異形體，具有特征參數(shù)：有效葉高Ld、根徑Dr。

所述截面的輪廓線是由內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、進口幾何角a1、出口幾何角a2、弦長b、最大厚度Dmax、截面面積A；截面疊合規(guī)律是沿葉高方向自根端向頂端連續(xù)光滑過渡，葉身葉高Ld相對值由0.0單調增加到1.0，與之對應，葉身型線安裝角c1由72.18°單調減小到29.61°，進口幾何角a1由45.20°單調遞增到114°，出口幾何角a2由29°單調遞增到38.04°。

從葉根截面到葉頂截面的節(jié)距與弦長比T/b變化規(guī)律為：0.50≤T/b≤0.95；從葉根截面到葉頂截面的節(jié)距與葉型截面軸向寬度比T/B變化規(guī)律為：0.50≤T/B≤1.25；從葉根截面到葉頂截面的節(jié)距與葉型截面最大厚度比T/Dmax變化規(guī)律為：2.5≤T/Dmax≤13.8；從葉根截面到葉頂截面的節(jié)距與葉型截面面積比T/A變化規(guī)律為：0.02≤T/A≤0.16。

從葉根截面到葉頂截面的葉型前緣半徑R0變化規(guī)律為：1.34mm≥R0≥0.62mm；從葉根截面到葉頂截面的葉型尾緣半徑R1變化規(guī)律為：1.39mm≥R0≥0.36mm。

相關變量定義如下：

Dr—根徑：葉片裝配在轉子上時，葉身根截面，即氣道高度0.0mm處位置直徑；

Ld—葉身葉高：葉頂截面與葉根截面之間的徑向距離；

b—弦長：葉身截面進、出汽邊距離；

c1—葉片安裝角：弦長b與轉子軸線的夾角；

Dmax—葉身截面切向寬度，即最大厚度；

R0—葉身截面葉型前緣半徑；

R1—葉身截面葉形尾緣半徑；

a1—進口幾何角；

a2—出口幾何角=sin-1(o1/T)，式中：節(jié)距T：相鄰倆葉片同一高度截面在周向的安裝距離；出口喉部o1：出口邊與相鄰葉身截面背弧的最小距離。

本技術方案設計的葉片，采用三元流動設計技術設計而成，沿葉高方向葉片具有一定的扭曲規(guī)律，即兼顧了葉片靜強度要求，還使得葉片具有較好的氣動性能，葉身扭曲規(guī)律是按照三元流理論設計的，沿葉身各熱力參數(shù)分布規(guī)律合理。

本方案葉片間優(yōu)選采用雙錐棒松拉筋結構連接，靜態(tài)時雙錐棒安裝在拉筋孔中，不與拉筋孔貼合，而在工作轉速下，由于離心力的作用，雙錐棒與拉筋孔上部貼合，并產生較大的正壓力和摩擦力；在離心力的作用下，這種結構一方面使雙錐棒與拉筋孔之間產生摩擦力，增加了系統(tǒng)的阻尼，另一方面，使葉片整圈成組，提高葉片的振動性能，降低葉片所受的動應力。

作為優(yōu)選，所述的葉身葉高Ld為215mm。

作為優(yōu)選，所述的葉根為三叉形葉根，葉根軸向寬度B為132.2mm。

作為優(yōu)選，所述的凸臺拉筋包括位于葉身中上部的凸臺以及凸臺中的拉筋孔。

作為優(yōu)選，所述的拉筋孔直徑為12mm，距葉身底部141.3mm，拉筋孔在裝配時用來插裝定位雙錐棒。

作為優(yōu)選，所述的葉身的出汽邊背弧處設有淬硬部分。

本發(fā)明的有益效果是：葉身的氣動設計和葉片結構、強度設計相互耦合，具有良好的協(xié)調性，使葉片具有較高的可靠性和經濟性；兼顧了葉片靜強度要求，還使得葉片具有較好的氣動性能以及良好的變工況性能；凸臺、拉筋孔和雙錐棒松拉筋結構的連接設計，在離心力的作用下，一方面使雙錐棒與拉筋孔之間產生摩擦力，增加了系統(tǒng)的阻尼，并使葉片整圈成組，提高葉片的振動性能，降低葉片所受的動應力；結構合理，裝配方便，可在背壓0.05bar～0.4bar，4000rpm以下安全運行，具有廣闊的市場應用前景。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的一種葉片結構示意圖。

圖2是本發(fā)明的一種葉片主視結構示意圖。

圖3是本發(fā)明圖2的俯視結構示意圖。

圖4是本發(fā)明的葉片葉身截面疊合結構示意圖。

圖5是本發(fā)明的葉片葉身截面結構要素示意圖。

圖6是本發(fā)明的相鄰三只葉片用雙錐棒連接結構示意圖。

圖中：1. 葉身，2. 凸臺拉筋，3. 葉根，4. 雙錐棒。

具體實施方式

下面通過實施例，并結合附圖，對本發(fā)明的技術方案作進一步具體的說明。

本實施例汽輪機的設計背壓高達0.4bar，在此設計背壓范圍內，最終確定的末級動葉片汽道高度Ld（即葉片的有效高度，亦是葉片的葉身部分的長度）為215mm，根徑Dr（即葉片安裝于轉子后，其葉身根截面所在圓的直徑，亦是轉子輪緣的直徑）為823.7mm，通汽環(huán)形面積為1m²，以此根徑Dr和葉身葉高Ld為通流設計基準采用三元流設計方法設計葉片，并在給定低壓級進口壓力、焓值、流量和背壓下，優(yōu)化各級焓降、速比和級內反動度匹配。

本實施例一種高背壓空冷汽輪機用末級動葉片，參見圖1、圖2、圖3、圖5，包括一體式結構的葉身1、葉根3以及位于葉身腰部的凸臺拉筋2，其中葉身1是由若干特征截面按待定規(guī)律疊合而成的異形體，具有特征參數(shù)：有效葉高Ld、根徑Dr；葉根3為三叉型葉根，葉根軸向寬度B為132.2mm。葉片通過三叉型葉根安裝在轉軸外圓的葉輪槽中；葉根3截面的輪廓線是由內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、進口幾何角a1、出口幾何角a2、弦長b、最大厚度Dmax、截面面積A。

相關變量定義如下：

Dr—根徑：葉片裝配在轉子上時，葉身根截面，即氣道高度0.0mm處位置直徑。

Ld—葉身葉高：葉頂截面與葉根截面之間的徑向距離。

b—弦長：葉身截面進、出汽邊距離。

c1—葉片安裝角：弦長b與轉子軸線的夾角。

Dmax—葉身截面切向寬度，即最大厚度。

R0—葉身截面葉型前緣半徑。

R1—葉身截面葉形尾緣半徑。

a1—進口幾何角；

a2—出口幾何角=sin-1(o1/T)，式中：

T—節(jié)距：相鄰倆葉片同一高度截面在周向的安裝距離。

o1—出口喉部：出口邊與相鄰葉身截面背弧的最小距離。

截面疊合規(guī)律是各截面的動態(tài)重心重合且以重心連線（即輻射線）為中心扭轉成型，沿葉高方向自根端向頂端連續(xù)光滑過渡，截面面積S沿高度方向單調減小，呈塔狀，參見圖2、圖4，葉身葉高Ld相對值由0.0單調增加到1.0，與之對應，葉身型線安裝角c1由72.18°單調減小到29.61°，進口幾何角a1由45.20°單調遞增到114°，出口幾何角a2由29°單調遞增到38.04°；從葉根截面到葉頂截面的節(jié)距與弦長比T/b變化規(guī)律為：0.50≤T/b≤0.95；從葉根截面到葉頂截面的節(jié)距與葉型截面軸向寬度比T/B變化規(guī)律為：0.50≤T/B≤1.25；從葉根截面到葉頂截面的節(jié)距與葉型截面最大厚度比T/Dmax變化規(guī)律為：2.5≤T/Dmax≤13.8；從葉根截面到葉頂截面的節(jié)距與葉型截面面積比T/A變化規(guī)律為：0.02≤T/A≤0.16；從葉根截面到葉頂截面的葉型前緣半徑R0變化規(guī)律為：1.34mm≥R0≥0.62mm；從葉根截面到葉頂截面的葉型尾緣半徑R1變化規(guī)律為：1.39mm≥R0≥0.36mm。

由于在工作狀態(tài)下，葉片中上部分的截面相對靜止狀態(tài)時有較大的扭轉變形，本實施例采用結構有限元分析方法優(yōu)化設計葉片的連接拉筋凸臺2，凸臺拉筋2包括位于葉身中上部的凸臺以及凸臺中的拉筋孔；拉筋孔直徑為12mm，距葉身1底部141.3mm，拉筋孔在裝配時插裝有雙錐棒4，如圖6所示。靜態(tài)時葉片為單片結構，雙錐棒4不與拉筋孔上部貼合，在工作轉速下，由于離心力的作用，雙錐棒4將與拉筋孔上部貼合，并產生較大的正壓力，在離心力的作用下，這種結構一方面使雙錐棒4與拉筋孔之間產生摩擦力，增加了系統(tǒng)的阻尼；另一方面，使葉片整圈成組，提高葉片的振動性能；葉身1出汽邊背弧處設有淬硬部分，淬硬長度根據(jù)實際需要而定。

本實施例所描述的排汽面積1.0m2變轉速空冷工業(yè)汽輪機的低壓級組末級葉片，采用三元流動設計技術設計而成的，葉身1截面的寬度、厚度及橫截面面積由根部到頂部逐漸減小，單調平滑過渡，沿葉高方向葉片具有一定的扭曲規(guī)律，即兼顧了葉片靜強度要求，還使得葉片具有較好的氣動性能，沿葉身1各熱力參數(shù)分布規(guī)律合理，經專業(yè)計算流體動力學計算軟件CFX和Numeca等計算驗證，在背壓為0.17bar出口馬赫數(shù)在0.6時的工況下，整個低壓級組的氣動效率在83%左右，且在背壓為0.05-0.4bar的范圍內，其總效率均在80%以上，具有良好的變工況性能，可在背壓0.05bar～0.4bar，4000rpm以下安全運行。

上述實施例是對本發(fā)明的說明，不是對本發(fā)明的限定，任何對本發(fā)明的簡單變換后的結構、方法等均屬于本發(fā)明的保護范圍。