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CN108119187A - 一种变转速大流量的工业汽轮机低压级动叶片 - Google Patents

一种变转速大流量的工业汽轮机低压级动叶片 Download PDF

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CN108119187A CN201810141352.7A CN201810141352A CN108119187A CN 108119187 A CN108119187 A CN 108119187A CN 201810141352 A CN201810141352 A CN 201810141352A CN 108119187 A CN108119187 A CN 108119187A
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Abstract

本发明所设计的是一种变转速大流量工业汽轮机低压级动叶片，它是变转速大流量工业汽轮机的低压级动叶片为低压级的末3级，包括叶身、围带和叶根，其特征在于，所述叶身、围带、叶根由上至下模锻成一体，所述叶身型线为变截面扭叶片，且根部至顶部的截面面积逐渐减小，相邻两截面间有相对扭转，这种结构的额特点是叶身的型线为变截面扭曲型线，由若干特征截面按特点规律迭合而成，相邻截面间有相对扭转。本发明可在背压5kPa‑40kPa、转速2400rpm‑4000rpm下安全运行，具有变转速变负荷效率高、强度振动性能好、质量流量大、结构稳定、加工装配方便的特点，可以广泛应用于大负荷变转速的工业汽轮机中。

Description

一种变转速大流量的工业汽轮机低压级动叶片
技术领域
本发明涉及一种驱动用工业汽轮机动叶片，尤其是一种变转速大流量的工业汽轮机低压级动叶片。
背景技术
在工业驱动领域，尤其是大型乙烯、大型空分等关键领域，变转速大流量大功率的工业汽轮机需求不断增加，其高效、安全设计逐渐凸显重要性。低压级组叶片运行工况恶劣，必须满足能由阻塞工况到鼓风工况下运行，因此低压级组叶片可靠性直接影响机组的安全运行。低压级组动叶片的设计技术，因涉及的技术面广、技术含量高而成为汽轮机设计中的核心技术，涉及到热力学、理论力学、流体力学、材料力学、材料等多个学科。
此前大部分变转速工业汽轮机末3级动叶片的型线效率不高，且大多为不带围带，这增加了漏汽损失。为了增加叶片的减振阻尼效果，大部分变转速工业汽轮机采用松拉筋的结构，使叶片部分成组，松拉筋结构增加了水蒸汽的碰撞损失，降低了叶片的效率。本发明结构与传统变转速工业汽轮机末3级动叶片具有很大不同。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述技术的不足而设计的变转速大流量的工业汽轮机用的末三级动叶片，该叶片具有良好的变工况性能和强度振动性能，同时结构合理，装配方便。
本发明所设计的是一种变转速大流量的工业汽轮机低压级动叶片，它是变转速大流量工业汽轮机的低压级动叶片为低压级的末3级，包括叶身、围带和叶根，其特征在于，所述叶身、围带、叶根由上至下模锻成一体，所述叶身型线为变截面扭叶片，且根部至顶部的截面面积逐渐减小，相邻两截面间有相对扭转，所述的叶片工作部分的高度H为196.0mm，根部轴向宽度V为78.11mm，根部直径为535.0mm，顶部轴向宽度V1为52.1mm，所述叶身排汽面积为2.9m2。这种结构的额特点是叶身的型线为变截面扭曲型线，由若干特征截面按特点规律迭合而成，特征截面的轮廓型线是由内弧曲线和背弧曲线围成的封闭曲线，截面的迭合规律是沿叶高方向自根部至顶部各截面连续光滑过渡，从根部至顶部的截面面积逐渐减小，相邻截面间有相对扭转。
进一步的方案为，所述叶片围带部分为Z型结构，具有背弧工作面和内弧工作面，两个工作面是相互平行的平面，工作状态下，围带的背弧工作面与相邻叶片围带内弧工作面接触。围带的工作面距离A1为48.46mm，工作面几何中心距离T1为67.32mm。围带的厚度W为7.9mm，轴向宽度C1为56.09mm。围带的特征角度α1为50°，围带的特征角度α2为95°，过渡圆角R为1mm。
更进一步的方案为，所述叶根为T型叶根，叶根的轴向宽度C为111.8mm，叶根的总高度K为127.57mm。
进一步的方案为，所述叶身相对叶高H由0％单调增加到100％，从叶根截面到叶顶截面的节距与弦长比T/b变化规律为：0.56≤T/b≤0.77；从叶根截面到叶顶截面的节距与叶型截面轴向宽度比T/B变化规律为：0.62≤T/B≤1.26；从叶根截面到叶顶截面的节距与叶型截面最大厚度比T/Dmax变化规律为： 2.26≤T/B≤7.05；从叶根截面到叶顶截面的节距与叶型截面面积比T/A变化规律为0.034≤T/A≤0.127；从叶根截面到叶顶截面安装角β的变化范围为 65.31°～37.33°，进口角α的变化范围为39.54≤α≤98.20°，出口角θ的变化范围为 68.70°≤θ≤69.46°。
更进一步的方案为，叶身高度分别为0，40.0mm，80.0mm，120.0mm， 160.0mm，196.0mm，所对应的叶身部分的轴向宽度依次分别是：78.11mm， 73.71mm，69.17mm，64.19mm，58.02mm，52.10mm，所对应的弦长依次分别是86.11mm，86.07mm，85.62mm，85.76mm，85.43mm，85.38mm，所对应的安装角依次分别是65.31°，59.59°，54.21°，48.45°，42.63°,37.33°，所对应的型线最大厚度依次分别是21.3mm，20.0mm，15.8mm，12.2mm，9.8mm，9.3mm，所对应的进口角依次分别为39.54°,46.46°,49.39°,63.67°,78.11°，98.2°，所对应的出口角依次分别为 68.7°,67.24°,75.57°,68.72°,68.15°,69.46°。
本发明所得的变转速大流量工业汽轮机的低压级动叶片，采用三元流场设计技术设计而成的，沿叶高方向具有一定的扭曲规律，即兼顾了叶片静强度要求，还使得叶片具有很好的气动性能，叶身扭曲规律是按照三元流理论设计的，沿叶身各热力参数分布规律合理，经专业计算流体力学计算软件CFX和Numeca 等计算验证，在背压为5kPa～40kPa的范围内，低压级组的气动效率可达93％。另外通过常规应力分析和三维有限元强度分析结果表明，该叶型具有足够的强度性能，各工况下的气流弯应力均较小。该叶片采用Z型围带结构，通过旋转时离心力引起的叶片扭转恢复形成整圈连接结构，该结构消除了多种振型的振动频率，使叶片振型相对简单，大大降低了叶片的动应力，有利于动调频，可以保证在多种工况下下均能安全可靠运行。该叶片根部为T型叶根，装配方便，承载均匀，能使叶片和转子结合牢固、稳定，可在背压5kPa～40kPa，4000rpm 以下安全运行，该低压级动叶可以广泛应用于十万等级以上超大型空分装置用工业汽轮机、150万吨/年乙烯装置用等大型工业汽轮机中，具有广阔的市场应用前景。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为图1中A-A截面处叶型几何参数图；
图3为本发明的叶片围带连接示意图；
图4为本发明的叶片型线示意图；
图5为相邻三只叶片连接示意图。
具体实施方式
下面通过实施结合附图对本发明作进一步的描述。
如图1和图3所示，本发明的变转速大流量工业汽轮机的低压级动叶片，包括叶身2、围带1和叶根3，所述叶身2、围带1、叶根3由上至下模锻成一体，所述叶身2型线为变截面扭叶片，且根部至顶部的截面面积逐渐减小，相邻两截面间有相对扭转，所述叶片由若干特征截面按特定规律迭合而成，特征截面的轮廓型线是由内弧曲线和背弧曲线围成的封闭曲线，截面的迭合规律是沿叶高方向自根部至顶部各截面连续光滑过渡。所述叶身高度H为196.0mm，根部轴向宽度V为78.11mm，根部直径为535.0mm，，顶部轴向宽度V1为 52.1mm，叶身排汽面积为2.9m2。叶根的轴向宽度C为111.8mm。围带的厚度 W为7.9mm，围带轴向宽度C1为56.09mm。在装配整个叶片时，叶根3周向安装在轮槽里；叶顶自带阻尼围带1，整个叶片紧装配，在非工作状态下相邻叶片的围带与围带之间贴紧接触。所述围带工作面距离A1为48.46mm，工作面几何中心距离T1为67.32mm。工作状态下，围带工作面间的碰撞和摩擦阻尼，能够消耗掉叶片的共振能量，大大降低叶片的动应力；叶根3为T型叶根，叶根3的总高度K为42.03mm，这种结构使叶片能牢固地装入轮缘，接触稳定、安全可靠，保证强度、振动的要求，确保叶片的长期安全高效运行。
如图2所示，叶身2相对叶高H由0％单调增加到100％，从叶根截面到叶顶截面的节距与弦长比T/b变化规律为：0.56≤T/b≤0.77；从叶根截面到叶顶截面的节距与叶型截面轴向宽度比T/B变化规律为：0.62≤T/B≤1.26；从叶根截面到叶顶截面的节距与叶型截面最大厚度比T/Dmax变化规律为：2.26≤T/B ≤7.05；从叶根截面到叶顶截面的节距与叶型截面面积比T/A变化规律为0.034 ≤T/A≤0.127；从叶根截面到叶顶截面安装角β的变化范围为65.31°～37.33°，进口角α的变化范围为39.54≤α≤98.20°，出口角θ的变化范围为68.70°≤θ≤69.46°。
如图4所示，叶身2高度分别为0，40.0mm，80.0mm，120.0mm，160.0mm， 196.0mm，所对应的叶身部分的轴向宽度依次分别是：78.11mm，73.71mm， 69.17mm，64.19mm，58.02mm，52.10mm，所对应的弦长依次分别是86.11mm， 86.07mm，85.62mm，85.76mm，85.43mm，85.38mm，所对应的安装角依次分别是65.31°，59.59°，54.21°，48.45°，42.63°,37.33°，所对应的型线最大厚度依次分别是21.3mm，20.0mm，15.8mm，12.2mm，9.8mm，9.3mm，所对应的进口角依次分别为39.54°,46.46°,49.39°,63.67°,78.11°，98.2°，所对应的出口角依次分别为68.7°,67.24°,75.57°,68.72°,68.15°,69.46°。
如图5所示，3个相邻叶片连接构成扇形结构。
其中6个叶身特征截面具体参数如下表：

Claims (5)

1.一种变转速工业汽轮机的低压级动叶片，包括叶身(2)、围带(1)和叶根(3)，其特征在于，所述叶身(2)、围带(1)、叶根(3)由上至下模锻成一体，所述叶身(2)型线为变截面扭叶片，且根部至顶部的截面面积逐渐减小，相邻两截面间有相对扭转，所述的叶身高度H为196.0mm，根部轴向宽度V为78.11mm，根部直径为535.0mm，顶部轴向宽度V1为52.1mm，所述叶身(2)排汽面积为2.9m2。
2.根据权利要求书1所述的变转速大流量工业汽轮机低压级动叶片，其特征在于：所述围带(1)为Z型结构，且围带(1)的工作面距离A1为48.46mm，工作面几何中心距离T1为67.32mm，所述围带的厚度W为7.9mm，轴向宽度C1为56.09mm，所述围带的特征角度α1为50°，所述围带的特征角度α2为95°，所述围带的过渡圆角R为1mm。
3.根据权利要求书1所述的变转速大流量工业汽轮机低压级动叶片，其特征在于，所述叶根(3)为T型叶根，所述叶根(3)的轴向宽度C为111.8mm，所述叶根的总高度K为127.57mm。
4.根据权利要求书1所述的变转速大流量工业汽轮机低压级动叶片，其特征在于，所述叶身(2)的相对叶高H由0％单调增加到100％，从叶根截面到叶顶截面的节距与弦长比T/b变化规律为：0.56≤T/b≤0.77；从叶根截面到叶顶截面的节距与叶型截面轴向宽度比T/B变化规律为：0.62≤T/B≤1.26；从叶根截面到叶顶截面的节距与叶型截面最大厚度比T/Dmax变化规律为：2.26≤T/B≤7.05；从叶根截面到叶顶截面的节距与叶型截面面积比T/A变化规律为0.034≤T/A≤0.127；从叶根截面到叶顶截面安装角β的变化范围为65.31°～37.33°，进口角α的变化范围为39.54≤α≤98.20°，出口角θ的变化范围为68.70°≤θ≤69.46°。
5.根据权利要求书1、2或3所述的变转速大流量汽轮机低压级动叶片，其特征在于，所述叶身(2)的高度分别为0，40.0mm，80.0mm，120.0mm，160.0mm，196.0mm，所对应的叶身部分的轴向宽度依次分别是：78.11mm，73.71mm，69.17mm，64.19mm，58.02mm，52.10mm，所对应的弦长依次分别是86.11mm，86.07mm，85.62mm，85.76mm，85.43mm，85.38mm，所对应的安装角依次分别是65.31°，59.59°，54.21°，48.45°，42.63°,37.33°，所对应的型线最大厚度依次分别是21.3mm，20.0mm，15.8mm，12.2mm，9.8mm，9.3mm，所对应的进口角依次分别为39.54°,46.46°,49.39°,63.67°,78.11°，98.2°，所对应的出口角依次分别为68.7°,67.24°,75.57°,68.72°,68.15°,69.46°。
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Patentee before: HANGZHOU STEAM TURBINE Co.,Ltd.

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