專利名稱：一種濕冷汽輪機(jī)末級(jí)動(dòng)葉片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及汽輪機(jī)的動(dòng)葉片，適用于功率200麗等級(jí)，轉(zhuǎn)速3000rpm的濕冷汽輪 機(jī)。
背景技術(shù)：
當(dāng)前的燃煤發(fā)電廠面臨著嚴(yán)格的環(huán)保要求和嚴(yán)峻的市場(chǎng)經(jīng)營(yíng)形勢(shì)，為了確保電廠 具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，就應(yīng)在新建電廠或者改造中采用先進(jìn)、成熟的技術(shù)以適 應(yīng)新的要求。提高汽輪機(jī)機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性、安全可靠性在實(shí)現(xiàn)電廠大幅度節(jié)能減排的同時(shí)也 能帶來(lái)良好的社會(huì)效益。而汽輪機(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)，因此低壓末級(jí)設(shè)計(jì)難度與優(yōu)化設(shè)計(jì)的重大意義引人注目，必 須統(tǒng)籌兼顧，進(jìn)行多約束條件下多目標(biāo)的方案優(yōu)選，才能設(shè)計(jì)出高性能的末級(jí)葉片。因此， 末級(jí)葉片的設(shè)計(jì)必成為高性能汽輪機(jī)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。在役200WM等級(jí)的機(jī)組末級(jí)動(dòng)葉很多采用800mm動(dòng)葉，該動(dòng)葉片采用拱形圍帶，松 拉筋的結(jié)構(gòu)形式，這種葉片結(jié)構(gòu)落后，葉片的動(dòng)應(yīng)力高，安全可靠性不高，經(jīng)濟(jì)性較差，而且 基于當(dāng)時(shí)的條件，葉型的設(shè)計(jì)也相對(duì)比較落后，葉型損失比較大。雖然新建電廠中200WM等 級(jí)的火電機(jī)組已經(jīng)很少采用，但考慮到在役的200麗等級(jí)機(jī)組仍占不小的比例，而且考慮 到以后的聯(lián)合循環(huán)電站中，200麗等級(jí)的機(jī)組仍是主力機(jī)組，因此，800mm末級(jí)動(dòng)葉無(wú)論在 改造還是在聯(lián)合循環(huán)電站的建設(shè)中都具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。為滿足新的安全性可靠性 和經(jīng)濟(jì)性方面的需求，在總結(jié)該葉片的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，應(yīng)該采用當(dāng)前最先進(jìn)的設(shè)計(jì)技術(shù)， 對(duì)800mm末級(jí)動(dòng)葉進(jìn)行重新開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是，自主開(kāi)發(fā)一種結(jié)構(gòu)合理，動(dòng)應(yīng)力低，適用于200麗 等級(jí)的濕冷汽輪機(jī)末級(jí)動(dòng)葉片。本發(fā)明的技術(shù)方案是
一種濕冷汽輪機(jī)末級(jí)動(dòng)葉片，具有整體結(jié)構(gòu)的葉身、葉根、圍帶和凸臺(tái)拉筋，所述圍帶 位于葉身的頂部，所述凸臺(tái)拉筋位于葉身的腰部，所述葉根位于葉身的根部；所述葉身由若 干特征截面按一特定規(guī)律迭合而成，其有效高度為L(zhǎng)d、根徑為Dr ；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 ；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Ld 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82. 57°單調(diào)減小到22. 49° ；從根 截面到頂截面的面積A變化規(guī)律為5. 0951.0，從根截面到頂截面的軸向?qū)挾葦⒆?br> 化規(guī)律為3. 417 ^ Xa ^ 1. 0，從根截面到頂截面的弦長(zhǎng)bl變化規(guī)律為:1.33 ^bl ^ 1. 0， 從根截面到頂截面的最大厚度Wl變化規(guī)律為3. 515 ^ffl ^ 1. 0。所述葉身的有效高度為L(zhǎng)d=800mm、根徑為Dr=1450mm。所述凸臺(tái)拉筋截面為圓形，其直徑d滿足關(guān)系式15mm彡d彡25mm。
所述圍帶的工作面與X軸的夾角Bl滿足關(guān)系式 Al=Tl · COSBl ； 10° 彡 Bl 彡 50° ；
式中Al—圍帶工作面Si、Pl之間的距離
Tl一節(jié)距相鄰兩葉片圍帶高度截面在周向的安裝距離。所述葉根是五叉葉根。本發(fā)明的技術(shù)效果
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200MW等級(jí)的800mm濕冷汽輪機(jī)末級(jí)葉 片的設(shè)計(jì)，能很好的滿足新建電廠或舊電廠改造對(duì)節(jié)能減排的需求。新開(kāi)發(fā)的800mm濕冷 汽輪機(jī)末級(jí)葉片具有較先進(jìn)的結(jié)構(gòu)型式一阻尼式自帶圍帶，整體凸臺(tái)拉筋，葉根采用大剛 性的5叉形葉根設(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。


圖1是本葉片的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是葉身截面圖3是凸臺(tái)拉筋結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4是圍帶結(jié)構(gòu)示意圖； 圖5是葉片葉根安裝示意圖； 圖6是圖5的B向視圖。
具體實(shí)施例方式參見(jiàn)圖1、圖2 采用合適的合金鋼葉片和轉(zhuǎn)子材料，按本專利設(shè)計(jì)圖制造的動(dòng)葉 片由4個(gè)部分組成，分別是圍帶體1，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。葉片通過(guò)5叉葉根4安裝在轉(zhuǎn)軸外圓上的葉輪槽中，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)。本動(dòng)葉片的設(shè)計(jì)載體選擇濕冷200MW等級(jí)濕冷汽輪機(jī)，最終方案確定的末級(jí)動(dòng)葉 片氣道高為800mm，根徑Dr (1450mm)，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。本次設(shè)計(jì)以2F-210MW等級(jí)汽輪機(jī)的 整缸低壓通流為設(shè)計(jì)對(duì)象，給定低壓進(jìn)口壓力、焓值、流量和背壓，在保證低壓子午流道光 順的前提下，優(yōu)化各級(jí)的焓降、速比和級(jí)內(nèi)反動(dòng)度匹配。在整缸通流優(yōu)化匹配的基礎(chǔ)上，末級(jí)級(jí)內(nèi)可控渦流型設(shè)計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜的多次循環(huán) 設(shè)計(jì)過(guò)程。首先設(shè)計(jì)基本的靜、動(dòng)葉基型型線，按可控渦流型設(shè)計(jì)的沿葉高出氣角分布，設(shè) 計(jì)靜、動(dòng)葉的空間成型規(guī)律，再用全三維流場(chǎng)計(jì)算分析來(lái)優(yōu)化級(jí)內(nèi)流場(chǎng)，并進(jìn)一步調(diào)整靜、 動(dòng)葉的空間成型規(guī)律，以氣動(dòng)最優(yōu)為設(shè)計(jì)目標(biāo)。本設(shè)計(jì)的變量定義
Ld-葉身有效高度葉身頂截面與葉身根截面之間的距離。H-圍帶厚度。凸臺(tái)拉筋高度葉身根截面與凸臺(tái)拉筋中心的垂直距離。
4
d-凸臺(tái)拉筋厚度。Al-圍帶工作面Si、Pl之間的距離。Tl-節(jié)距相鄰兩葉片圍帶高度截面在周向的安裝距離。Bl0 -圍帶工作面Si、Pl與X軸的水平夾角。-節(jié)距相鄰兩葉片同一高度截面在周向的安裝距離。-葉身截面弦向?qū)挕?葉身根截面軸向?qū)挾取?-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。α 1° -出口幾何角SirT1 (01/Τ)。Γ -葉型安裝角弦長(zhǎng)線與周向(Y向)的夾角。-葉根軸向?qū)挾取?1)葉型設(shè)計(jì)，沿葉高若干個(gè)特征葉身截面的氣動(dòng)設(shè)計(jì)
參見(jiàn)圖1、圖2 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型 要素及安裝位置，沿葉高各基本葉型的特征是氣動(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?；救~型的橫截面積沿高度單調(diào)減小，呈塔形變化，安裝角cl 由86. 44°單調(diào)減小到15. 18° ；從根截面到頂截面的面積A變化規(guī)律為5. 095 ^ A ^ 1. 0， 從根截面到頂截面的軸向?qū)挾葦⒆兓?guī)律為3.417 ^ Xa ^ 1.0，從根截面到頂截面的 弦長(zhǎng)bl變化規(guī)律為1.33 > 1.0，從根截面到頂截面的最大厚度Wl變化規(guī)律為 3. 515 ^ffl ^ 1. 0?；救~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)了各葉型截面沿葉高的成型規(guī)律，最 終實(shí)現(xiàn)了本葉片級(jí)流場(chǎng)特性的優(yōu)化。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。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，對(duì)葉型作了數(shù)次改進(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。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)行相似模化設(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，就須進(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。因此葉片的三維氣動(dòng)設(shè)計(jì)一般要經(jīng)過(guò)許多方案 的逐步優(yōu)化得到。
(2)大剛度五叉葉根結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
采用lCrl2Ni2WlMolV材料制成的單只葉片的離心力較大(996933N)，通過(guò)對(duì)強(qiáng)度工況 的下的分析對(duì)比，最終采用了有較強(qiáng)承載能力的大剛度五叉葉根結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖5、圖6)，該結(jié) 構(gòu)能滿足葉片的安全性要求。本發(fā)明設(shè)計(jì)的葉根根徑為Dr，葉根軸向?qū)挾葹閃，與葉片根部 截面軸向?qū)挾?(a之間滿足WAa=l. 22，葉根節(jié)距為T(mén)，整級(jí)葉片數(shù)Zd，且滿足T=Ji*D/Zd。(3)大離心載荷下的葉身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度振動(dòng)特性設(shè)計(jì)
在工作狀態(tài)下，葉片各扭轉(zhuǎn)變截面的離心力產(chǎn)生應(yīng)力非常高，而且受力狀態(tài)復(fù)雜，這對(duì) 葉片的強(qiáng)度振動(dòng)設(shè)計(jì)是一個(gè)極大的挑戰(zhàn)。這一部分設(shè)計(jì)時(shí)，將受到下列因素的相互制約。 葉片各截面型線的氣動(dòng)特性制約； 眷葉片和轉(zhuǎn)子材料的強(qiáng)度極限制約；
眷葉片各截面的應(yīng)力狀態(tài)制約； 葉片振動(dòng)調(diào)頻特性制約。為克服上述主要的制約因素，保持各截面的應(yīng)力水平基本相當(dāng)，從而最大限度地 應(yīng)用材料的強(qiáng)度極限。在保持各截面的形狀基本相似的前提下，來(lái)調(diào)整葉片的受力狀態(tài)和 振動(dòng)特性，最終使各制約因素相互協(xié)調(diào)。采用了全三維氣動(dòng)和三維有限元強(qiáng)度藕合分析方 法對(duì)本葉片進(jìn)行了設(shè)計(jì)分析，共完成了多種葉身結(jié)構(gòu)方案優(yōu)化分析，最終優(yōu)化設(shè)計(jì)了能滿 足氣動(dòng)特性和強(qiáng)度振動(dòng)特性要求的葉身結(jié)構(gòu)。(4)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)。其特征為設(shè)計(jì)了在葉身上高度為L(zhǎng)J的 位置開(kāi)一拉筋結(jié)構(gòu)(見(jiàn)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、內(nèi)弧工作面是相互平行的平面本凸臺(tái)拉筋結(jié)構(gòu)的功能是在約 轉(zhuǎn)速ΝΓ轉(zhuǎn)/分時(shí)，拉筋平臺(tái)工作面與相鄰葉片拉筋平臺(tái)工作面接觸，產(chǎn)生較大的壓應(yīng)，凸 臺(tái)拉筋工作面與X軸的夾角B2滿足關(guān)系式L=f*d;0. 5彡f彡0.8°，15彡d彡30，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。設(shè)計(jì)了與葉身自成一體的圍帶結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖4)，其厚度為H(8mm<H<17mm)，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m轉(zhuǎn)/分時(shí)，圍帶工作面(si 面)與相鄰葉片圍帶工作面(PI面)接觸，產(chǎn)生較大的壓應(yīng)力F1，圍帶工作面與χ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2200轉(zhuǎn)/分。工作面壓應(yīng)力 滿足關(guān)系式0. 0136<F1 ^ 0. 054倍材料的強(qiáng)度極限。
權(quán)利要求
1.一種濕冷汽輪機(jī)末級(jí)動(dòng)葉片，具有整體結(jié)構(gòu)的葉身、葉根、圍帶和凸臺(tái)拉筋，所述圍 帶位于葉身的頂部，所述凸臺(tái)拉筋位于葉身的腰部，所述葉根位于葉身的根部；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、根徑為Dr ；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 ；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；其特征在于，葉高Ld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82. 57°單調(diào)減小到22. 49° ；從根截面到頂截面的面積A變化規(guī)律為5. 095 ^ A ^ 1. 0， 從根截面到頂截面的軸向?qū)挾葦⒆兓?guī)律為3.417 ^ Xa ^ 1.0，從根截面到頂截面的 弦長(zhǎng)bl變化規(guī)律為1.33 > 1.0，從根截面到頂截面的最大厚度Wl變化規(guī)律為 3. 515 ^ Wl ^ 1. 0。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的濕冷汽輪機(jī)末級(jí)動(dòng)葉片，其特征在于，所述葉身的有效高度 為 Ld=800mm、根徑為 Dr=1450mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的濕冷汽輪機(jī)末級(jí)動(dòng)葉片，其特征在于，所述凸臺(tái)拉筋截面為 圓形，其厚度d滿足關(guān)系式15mm彡d彡30mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的濕冷汽輪機(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 · COSBl ； 10° ^ Bl ^ 50° ；式中Al—圍帶工作面Si、Pl之間的距離Tl一節(jié)距相鄰兩葉片圍帶高度截面在周向的安裝距離。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的濕冷汽輪機(jī)末級(jí)動(dòng)葉片，其特征在于，所述葉根是五叉葉根。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種濕冷汽輪機(jī)末級(jí)動(dòng)葉片，特征是葉片有效高度為800mm，葉身高度Ld的相對(duì)值由0.0單調(diào)增加到1.0，安裝角c1由86.44°單調(diào)減小到15.18°；從根截面到頂截面的面積A變化規(guī)律為5.095≥A≥1.0，從根截面到頂截面的軸向?qū)挾萖a變化規(guī)律為3.417≥Xa≥1.0，從根截面到頂截面的弦長(zhǎng)b1變化規(guī)律為1.33≥b1≥1.0,從根截面到頂截面的最大厚度W1變化規(guī)律為3.515≥W1≥1.0。適用于功率200MW等級(jí)，轉(zhuǎn)速3000rpm的濕冷汽輪機(jī)。
文檔編號(hào)F01D5/30GK102140932SQ201110111030
公開(kāi)日2011年8月3日 申請(qǐng)日期2011年4月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月29日
發(fā)明者吳其林, 周顯丁, 巫志華, 曹守洪, 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