CN1016885B - 一种电站汽轮机的套装叶轮 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种电站汽轮机的套装叶轮，其内孔型线是一种组合过盈内孔型线，由平行于叶轮中心轴的直线段和与叶轮中心轴成一定斜度的斜线所组成。这种新内孔型线使叶轮内孔应力趋于均匀，充分发挥材料的承载能力，同时降低叶轮两端接触边缘处的应力峰值，从而提高叶轮抗应力腐蚀强度，而且仍然保持加工、定位方便，容易保证加工、装配精度等优点。

Description

本发明涉及一种动力机械，特别涉及一种电站汽轮机的套装叶轮。

目前世界上大功率汽轮机低压转子主要有整锻转子，焊接转子和套装转子三种结构型式。低压转子若采用由多个套装叶轮组成的套装转子，相对于采用整锻转子或焊接转子而言，其优点是不需要大型锻造设备或复杂的焊接工作设备，可以减少设备投资，大幅度降低制造成本，且生产周期短，锻件质量容易保证，但是，套装叶轮由于结构上的限制，叶轮内孔直径较大，且必须有足够的过盈与轴配合才能保证在工作转速范围内叶轮与轴不松动，其内孔的应力比其它二种型式的转子应力大，因此，如何既能保证叶轮与轴的牢固过盈配合。又尽可能使叶轮内孔应力均匀化，充分发挥材料的承载能力就成为套装叶轮研究的一个主要问题。

从理论上讲，大型汽轮机低压转子的套装叶轮内孔型线应采用如图1（A）的结构形式，这是一种等残余过盈，是一种理想的过盈形式，在工作转速下各接触点具有均匀的残余过盈而各点装配过盈则不相同。但是由于这种内孔型线是曲线，加工、装配和定位都很困难，因此实践中未采用。

目前，大型汽轮机低压转子的套装叶轮内孔型线大都采用图1（B）的结构形式，这是一种等过盈配合结构，接触面与轴平行，在叶轮内孔开一凹槽，接触面上各接触点具有相同装配过盈值。这种内孔型线便于加工，定位，且容易保证加工、装配精度。但是，它和轴的变形分布不均匀，它在端面附近的变形小，如果采用与中心部分相同的过盈，其中一部分过盈量是多余的，会引起较大的内孔应力。图1（C）所示是线性过盈内孔型线。这种结构将内孔加工为锥形，各接触点的过盈量沿轴向呈线性分布，从而降低了叶轮内孔应力。

美国专利US2730387公开了一种汽轮机叶轮组件，其转子的一端伸出轮毂一段距离，并用带有螺纹和齿槽的紧固件使之与轮毂成紧配合，其缺点是，加工困难，且不适用于常见的采用多级套装叶轮的汽轮机。

本发明的目的在于提出一种电站汽轮机的套装叶轮，采用合理且实用的内孔型线，使叶轮内孔应力趋于均匀，充分发挥材料的承载能力，而且仍然保持加工、定位方便，容易保证加工、装配精度且不需要增加任何零部件等优点。

参照图2，本发明包括一与转子相配合的叶轮，叶轮与转子相配合的内孔型线由接触区型线和非接触区内孔槽所构成，其中：

1.叶轮内孔接触区的型线：叶轮内孔BC和DE段为平行于叶轮中心轴（X轴）的直线段（即等过盈段），其段长为L₂叶轮内孔AB和EF段为斜线段（即线性过盈段），段长为L₁：图中L为叶轮宽度;

2.叶轮内孔非接触区内内槽，槽宽为L₃;

与叶轮内孔过盈配合的轴为等直径段。该内孔型线的直线段的过盈以及斜线段的过盈和斜度，可根据空间轴对称非线性接触问题有限元法计算确定，并通过计算确定L₁、L₂和L₃（S.K.Chan & I.S.Tuba.“A Finite Element Method for Contact problems of Solid Bodies”，Part I，Theory & Validation，Int.J.Meth.Sci.Vol.13，1971，pp519-530）（D.J.White & L.R.Enderby，“Finite Element Stress Analysis of a Nonlinear Problem：A Correcting Rod Ege Loaded by means of a Pin，”J.Strain Analysis，5，41-48，1970）。

本发明的优点与传统的等过盈内孔型线相比，例如对20万千瓦汽轮机末级叶轮，在同样的载荷和转速条件下，叶轮内孔应力明显降低，使叶轮可用低一级的材料（由屈服限850MPa的材料降为750MPa的材料）或用同一级材料增大安全系数;且减小叶轮内孔两侧A、F点处的工作应力峰值。从而提高了叶轮抗应力腐蚀强度。计算表明采用内孔槽除有传统的作用外，还可以降低叶轮内孔的平均应力，从而提高叶轮的安全可靠性。

本发明与纯线性过盈内孔型线相比，降低了内孔C点和D点的装配应力峰值，叶轮内孔加工精度容易控制，由于叶轮内孔有直线段，叶轮纵套时容易保证与轴的对中。

图1是现有大型汽轮机低压转子套装叶轮的结构原理图。

图2是本发明的结构原理图。

图1中，（1）是叶轮、（A）是叶轮（1）的理论结构型式、（B）是叶轮（1）的现有结构形式，（C）是线性过盈内孔型。

图2中，（1）是叶轮，BC和DE段为过盈段，其长度为L₂，AB和EF段为线性过盈段，其长度为L₁，L为叶轮宽度;L₃为叶轮内孔非接触区内内槽的宽度。

实施例：

200MW汽轮机末级带800mm叶片的套装叶轮，工作转速3000转/分，叶轮内孔直径为560mm;叶轮宽度L＝549mm;等过盈段：L₂≤1/3L₁，且L₂≥3cm，

本实施例取L₂＝3cm，

此时最大等过盈值ΔRmax＝0.062262cm

最小等过盈值ΔRmin＝0.060762cm

叶轮内孔槽宽度L₃＝（1/3～2/5）L，

本实施例取L₃＝1/3L＝18.9cm

斜线段的斜度为0.7/1000～1.0/1000，

本实施例取斜度为0.9/1000;

结果表明，在同样的载荷和转速条件下，与现有传统的等过盈叶轮内孔型线比较，叶轮内孔应力明显降低，叶轮可用低一级的材料（由屈服限850MPa的材料降为750MPa的材料）。

Claims (2)

1、一种电站汽轮机的套装叶轮，包括一与转子相配合的叶轮，叶轮与转子相配合的内孔型线由接触区型线和非接触区内孔槽所构成，其特征在于内孔接触区型线是由平行于叶轮中心轴的直线段L₂和与叶轮中心轴成一定斜度的斜线段L₁所构成的组合过盈段。

2、按照权利要求1所述的套装叶轮，其特征在于直线段L应大于或等于3厘米且小于L₁的三分之一，斜线段的斜度为千分之0.7至1.0之间。