變轉速工業汽輪機末級動葉片的製作方法

2023-06-11 21:10:16 2

本實用新型涉及一種汽輪機動葉片，特別是涉及一種變轉速工業汽輪機末級動葉片。

背景技術：

汽輪機動葉片是裝配在葉輪上的重要工作部件。隨著國內電力行業對變轉速工業汽輪機的需求量不斷增加，對其高效性、安全可靠性提出來越來越高的要求。工業汽輪機變工況範圍大，且具有優秀的經濟性、安全性的運行要求，而這些要求很大程度上與末級動葉片緊密相關，因而對末級動葉片提出了更多的限制，要求必須兼顧其熱力、氣動性能以及強度振動特性等方面。

目前，國內外在變轉速工業汽輪機末級動葉片上鮮有突破，轉速大多集中在3000～5500r/min範圍內，難以達到更高轉速，也不能夠滿足較高的端負荷。

技術實現要素：

鑑於以上所述現有技術的缺點，本實用新型要解決的技術問題在於提供一種變轉速工業汽輪機末級動葉片，以滿足更高轉速的要求，且能夠滿足較高的端負荷。

為了解決上述技術問題，本實用新型提供一種變轉速工業汽輪機末級動葉片，為變截面彎扭葉片，包括圍帶、葉身以及葉根，圍帶設置在葉身頂部，葉根設置在葉身底部，所述葉身由多個特徵截面自其底部至其頂部相對扭轉且光滑過渡地積疊形成，所述特徵截面由內弧曲線段、出汽邊圓弧段、背弧曲線段以及進汽邊圓弧段依次首尾相連圍成；

從葉身的底部到頂部，各個特徵截面的特徵參數按以下規律變化：最大厚度b由12.72mm單調減小至4.06mm，型線寬度Wx由115.46mm單調減小至12.46mm，弦長c由118.17mm單調遞減至65.17mm，截面積A由1222.55mm2單調減小至179.34mm2，安裝角a由77.95°單調減小至10.31°，進汽邊圓弧段半徑r1由2.73mm單調減小至0.69mm，出汽邊圓弧段半徑r2由1.79mm單調減小至0.51mm。

優選地，所述葉身的有效高度H為435mm。

優選地，所述圍帶的厚度h為6mm。

優選地，所述葉身的兩側分別設有橫向延伸的凸臺，凸臺的橫截面為橢圓形，凸臺與葉身一體成型。

優選地，所述凸臺端部橢圓的長軸半徑k、短軸半徑j分別為9.944mm和4.641mm。

優選地，所述凸臺到葉身底部的距離L為239mm。

優選地，所述葉根為三齒樅樹型葉根，其軸向寬度W為140mm，安裝角R為12°。

優選地，所述葉身和葉根之間還設有中間體。

優選地，所述圍帶、所述葉身、所述中間體以及所述葉根一體成型。

優選地，所述葉身的背弧曲線段靠近進汽邊處設有雷射硬化部分。

如上所述，本實用新型的變轉速工業汽輪機末級動葉片，具有以下有益效果：

1、本實用新型採用全三元流動設計技術，兼顧葉片靜強度，使得在額定設計工況下，能夠在2800～6900r/min範圍內安全可靠運行，且能夠達到規定的級效率。

2、利用整圈自鎖阻尼葉片的結構形式設計葉片，減小葉片自激振和動應力，使得葉片能夠在最高轉速下端負荷達到57.12t/(h·m2)。

3、葉根採用新型的三齒樅樹型，有效地降低了葉根和葉根槽的峰值應力，進一步提高了葉片的安全可靠性。

附圖說明

圖1顯示為本實用新型的結構示意圖。

圖2顯示為圖1的側視圖。

圖3顯示為圍帶的結構示意圖。

圖4顯示為兩個周向相鄰的圍帶的耦合示意圖。

圖5顯示為凸臺剖面的結構示意圖。

圖6顯示為兩個周向相鄰的凸臺的配合示意圖。

圖7顯示為中間體的結構示意圖。

圖8顯示為葉根的結構示意圖。

圖9顯示為葉身的特徵截面的特徵參數示意圖。

圖10顯示為周向相鄰變轉速工業汽輪機末級動葉片的自鎖連接示意圖。

元件標號說明

1 圍帶

1a 耦合前端

1b 耦合後端

2 凸臺

2a 配合前端

2b 配合後端

3 葉身

4 中間體

5 葉根

6 進汽邊

7 出汽邊

8 背弧曲線段靠近進汽邊處

9 進汽邊圓弧段

10 背弧曲線段

11 出汽邊圓弧段

12 內弧曲線段

h 圍帶的厚度

H 葉身的高度

L 凸臺離葉身底部的特徵截面的距離

k 長軸半徑

j 短軸半徑

W 葉根的軸向寬度

R 葉根的安裝角

b 葉身的最大厚度

Wx 葉身的型線寬度

p 葉身的節距

c 葉身的弦長

A 葉身的截面積

a 葉身的安裝角

r1 葉身的進汽邊圓弧段半徑

r2 葉身的出汽邊圓弧段半徑

具體實施方式

以下由特定的具體實施例說明本實用新型的實施方式，熟悉此技術的人士可由本說明書所揭露的內容輕易地了解本實用新型的其他優點及功效。

請參閱圖1至圖10。須知，本說明書所附圖中所繪示的結構、比例、大小等，均僅用以配合說明書所揭示的內容，以供熟悉此技術的人士了解與閱讀，並非用以限定本實用新型可實施的限定條件，故不具技術上的實質意義，任何結構的修飾、比例關係的改變或大小的調整，在不影響本實用新型所能產生的功效及所能達成的目的下，均應仍落在本實用新型所揭示的技術內容所能涵蓋的範圍內。同時，本說明書中所引用的如「上」、「下」、「左」、「右」、「中間」及「一」等的用語，亦僅為便於敘述的明了，而非用以限定本實用新型可實施的範圍，其相對關係的改變或調整，在無實質變更技術內容下，當亦視為本實用新型可實施的範疇。

如圖1、2、9所示，本實用新型提供一種變轉速工業汽輪機末級動葉片，為變截面彎扭葉片，包括圍帶1、葉身3以及葉根5，圍帶1設置在葉身3頂部，葉根5設置在葉身3底部，葉身3由多個特徵截面自其底部至其頂部相對扭轉且光滑過渡地積疊形成，特徵截面由內弧曲線段12、出汽邊圓弧段11、背弧曲線段10以及進汽邊圓弧段9依次首尾相連圍成。

在具體實施時，葉身3的高度H為435mm，葉身3高度方向的中點到葉輪軸線的距離為582.5mm，即平均直徑為1165mm，並且葉身3形成的環形通道面積為1.59m2。本葉片還包括中間體4，中間體4作為連接部件設在葉身3與葉根5之間。此外，採用專用的通流設計程序設計了葉身3的各個特徵截面的特徵參數以及安裝位置，再通過全三元氣動設計軟體對其進行通流設計優化。在保證各個特徵截面優秀的氣動性能的同時兼顧本葉片的靜強度的情況下，特徵截面的型線寬度Wx、截面積A由葉身3底部到葉身3頂部逐漸減小，並且特徵截面沿葉身3高度方向平滑過渡積疊，且具有一定的相對扭轉特性。如圖9所示，葉身3的特徵截面主要有以下特徵參數：

最大厚度b：特徵截面內，與背弧曲線段10、內弧曲線段12同時相切的圓的最大直徑；

型線寬度Wx：特徵截面沿葉輪軸向的寬度；

節距p：相鄰葉身3的周向間距；

弦長c：葉身3的進汽邊6與出汽邊7的間距；

截面積A：特徵截面的面積；

安裝角a：弦長c所在方向與葉輪軸向的夾角的餘角；

進汽邊圓弧段半徑r1：進汽邊6輪廓的半徑；

出汽邊圓弧段半徑r2：出汽邊7輪廓的半徑。

自葉身3底部至葉身3頂部，各個特徵截面的特徵參數按以下規律變化：最大厚度b由12.72mm單調減小至4.06mm，型線寬度Wx由115.46mm單調減小至12.46mm，弦長c由118.17mm單調遞減至65.17mm，截面積A由1222.55mm2單調減小至179.34mm2，安裝角a由77.95°單調減小至10.31°，進汽邊圓弧段半徑r1由2.73mm單調減小至0.69mm，出汽邊圓弧段半徑r2由1.79mm單調減小至0.51mm，節距p由29.40mm單調增加至64.44mm。

本實用新型具有高轉速、高端負荷、高效率等技術特點：本葉片具有非常高的端負荷耐受性的同時，具有優秀的氣動特性；額定工況可調範圍可以適應到轉速5200～6900r/min內，且能夠允許端負荷極限達到57.12t/(h·m2)，其允許常運行工況的轉速範圍為2800～6900r/min；結構設計合理，葉片裝配方便，強度等級高，可用範圍大，具有廣闊的市場應用前景。

較佳的實施例中，如圖2、3所示，圍帶1兩端設有耦合前端1a和耦合後端1b，圍帶1的厚度h為6mm；如圖2、5所示，葉身3的兩側分別設有橫向延伸的凸臺2，凸臺2的橫截面為橢圓形，凸臺2離葉身3底部的距離L為239mm，凸臺2與葉身3一體成型，凸臺2兩端設有配合前端2a和配合後端2b，凸臺2的配合前端2a和配合後端2b均為長軸半徑k、短軸半徑j分別為9.944mm和4.641mm的橢圓形。

本葉片採用整圈自鎖阻尼葉片的結構形式，通過對圍帶1形狀和厚度以及凸臺2的形狀和位置的優化設計，最終獲得了優秀的強度振動特性，提高了本葉片的強度振動特性。

在具體實施時，如圖4、6、10所示，本葉片為自帶圍帶1、凸臺2的整圈自鎖的長葉片，靜態下，周向相鄰兩個葉片的圍帶1的耦合前端1a和耦合後端1b之間呈貼合狀態，凸臺2的配合前端2a和配合後端2b之間尚有間隙；工作時，圍帶1的間隙為0mm，凸臺2的間隙也為0mm。在離心力的作用下，本葉片會產生反扭，而反扭會使圍帶1的耦合前端1a和耦合後端1b相互耦合，同時也會使凸臺2的配合前端2a和配合後端2b相互配合，從而產生接觸力和摩擦力，增加了葉片之間的阻尼，達到整圈自鎖的效果。整圈自鎖具有以下優點：增加葉片級的剛度，調高共振節徑，阻尼會最小化自激振動，進一步減小動應力。

較佳的實施例中，如圖2、7、8所示，葉根5為三齒樅樹型葉根，其主要有以下特徵參數：

軸向寬度W：葉根5沿葉輪軸向的寬度；

安裝角R：中間體4長度方向與葉輪軸向的夾角。

為了進一步降低葉根5、輪緣的峰值應力以提高葉片的低周疲勞壽命，在現有的三齒樅樹型葉根基礎上，採用有限元技術進行葉根5的全尺寸優化。綜合葉根5和葉輪的葉根槽(葉輪上用於裝配本葉片的裝配口)接觸面積、葉根5和葉根槽的配合間隙、葉根5各個齒的圓角大小以及各個齒的應力集中等參考要素，對葉根5的可優化項進行優化，同時考慮葉根5、葉根槽的平均應力以及對於葉身3的包裹性，得到新型的三齒樅樹型葉根，其軸向寬度W為140mm，安裝角R為12°。如此設計，降低了葉輪的葉根槽的峰值應力，進一步提高了本葉片的安全可靠性，使葉片能夠在轉速2800～6900r/min範圍內且在端負荷達到57.12t/(h·m2)的工況下安全運行，具有廣闊的市場應用前景。

較佳的實施例中，圍帶1、葉身3、中間體4以及葉根5一體成型。如此設計，避免了整個葉片的焊接的殘餘應力。

較佳的實施例中，如圖5所示，考慮水蝕對葉片結構的影響，葉身3的背弧曲線段靠近進汽邊處8設有雷射硬化部分。在具體實施時，硬化高度根據實際需要而定。

綜上所述，本實用新型的最高轉速能夠達到6900r/min，且能夠滿足較高的端負荷。所以，本實用新型有效克服了現有技術中的種種缺點而具高度產業利用價值。

上述實施例僅例示性說明本實用新型的原理及其功效，而非用於限制本實用新型。任何熟悉此技術的人士皆可在不違背本實用新型的精神及範疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術領域中具有通常知識者在未脫離本實用新型所揭示的精神與技術思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應由本實用新型的權利要求所涵蓋。