大型汽輪機超長末級動葉片的葉身結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種大型汽輪機超長末級動葉片的葉身結(jié)構(gòu)，該葉片的葉身型線是由若干特征截面按一特定規(guī)律疊合而成的變截面扭曲型線，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c1、弦長b1、最大厚度w1、軸向?qū)挾萖a、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(diào)增加到1.0；與之相對應(yīng)，安裝角的絕對值c1由81.692單調(diào)減小到5.875；從根截面到頂截面的弦長b1的相對值變化規(guī)律為：1.67≥b1≥1.0；從根截面到頂截面的最大厚度w1的相對值變化規(guī)律為：5.56≥w1≥1.0；從根截面到頂截面的軸向?qū)挾萖a的相對值變化規(guī)律為：12.146≥Xa≥1.0；從根截面到頂截面的面積A的相對值變化規(guī)律為：13.538≥A≥1.0。
【專利說明】
大型汽輪機超長末級動葉片的葉身結(jié)構(gòu)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于汽輪機通流技術(shù)領(lǐng)域，設(shè)及濕冷汽輪機用末級動葉片型線，具體是一 種濕冷汽輪機用超長末級動葉片，為1300MW濕冷汽輪機開發(fā)，同時適用于功率等級為4F- 1200~1400MW濕冷汽輪機。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著國民經(jīng)濟持續(xù)高速增長，全國范圍對用電的需求也快速增長，中等容量的發(fā) 電機組已不能適應(yīng)電力需求和環(huán)保節(jié)能的要求。因此發(fā)展高參數(shù)、大容量、高效、環(huán)保型燃 煤電站是發(fā)電行業(yè)面臨和急待解決的主要問題，限制機組大容量化主要因素之一就是末級 葉片的長度。掌握高初參數(shù)及大容量燃煤電站技術(shù)的世界各國汽輪機制造商為數(shù)不多，由 于受到汽輪機末級長葉片的制約，通常采用不同的排汽缸數(shù)和模塊化設(shè)計可W設(shè)計從 600MW~1300MW各型汽輪機。
[0003] 大型汽輪機的末級動葉片很長，也是汽輪機設(shè)計最主要的難點之一。目前，世界上 各大汽輪機制造廠均有自己的長葉片系列。如:GE公司擁有的3600rpm長葉片系列中，最長 的葉片為40英寸(Ti),30(K)rpm長葉片系列中，最長的葉片為48英寸鋼葉片。日立和東芝公 司在GE公司的長葉片系列基礎(chǔ)上，分別開發(fā)出了 300化pm的48英寸鋼葉片。阿爾斯通公司的 最長3000rpm的葉片為46英寸鋼葉片。4F-1200~1400MW濕冷汽輪機是我國自主開發(fā)的機 型，它的末級動葉片長度為55英寸等級，是目前世界上最長的，沒有任何先例可W借鑒，必 須立足自主研制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的，是提供一種適用于功率等級為4F-1200~1400MW濕冷汽輪機的末 級動葉片的葉身結(jié)構(gòu)，其長度為55英寸等級，經(jīng)精屯、計算、反復(fù)試驗、不斷修正，最后確定如 下技術(shù)方案：
[0005] -種大型汽輪機超長末級動葉片的葉身結(jié)構(gòu)，該葉片具有整體結(jié)構(gòu)的葉身、葉根、 圍帶、拉筋凸臺，所述葉身的型線是由若干特征截面按一特定規(guī)律迭合而成的變截面扭曲 型線，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bl、最大厚度wl、軸向?qū)挾萖a、截面積A;其特征在于，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(diào)增加到1.0;與之 相對應(yīng)，安裝角的絕對值Cl由81.692單調(diào)減小到5.875;從根截面到頂截面的弦長bl的相對 值變化規(guī)律為：1.67>bl > 1.0 ;從根截面到頂截面的最大厚度Wl的相對值變化規(guī)律為： 5.56>wl > 1.0;從根截面到頂截面的軸向?qū)挾萖a的相對值變化規(guī)律為：12.146>Xa> 1.0; 從根截面到頂截面的面積A的相對值變化規(guī)律為:13.538>A> 1.0;
[0006] 相關(guān)變量定義：
[0007] H-葉片的有效高度，即葉片的葉身部分的長度:葉身頂截面與葉身根截面之間的 距離；
[000引 bi-弦長:葉身截面進、出汽邊的距離；
[0009] Cl-葉片安裝角:弦長bl與Y向的夾角；
[0010] Xa-軸向?qū)挾?葉身根截面軸向?qū)挾龋?br>[0011] Wl-最大厚度:葉身截面切向?qū)挾取?br>[0012] 該葉片的葉身型線由42個特性截面疊合構(gòu)成，其中有3個關(guān)鍵截面，即位于葉高 4.12%處的B-B截面，位于葉高50.02%處的M-M截面，位于葉高95.71 %處的Y-Y截面，運些 關(guān)鍵截面控制點坐標如下：
[0013]
[00141
[0015] 該葉片的長度為55英寸。
[0016] 經(jīng)模擬試驗證明，上述葉片的氣動性能完全滿足設(shè)計要求。
【附圖說明】
[0017] 圖1是葉身型線主視圖。
[001引圖2是葉身型線俯視圖。
[0019] 圖3是葉身截面特征參數(shù)示意圖。
[0020] 圖4是葉型疊合圖。
【具體實施方式】
[0021] 本發(fā)明提供一種滿輪機用超長動葉片，其關(guān)鍵和難點是葉身型線，設(shè)計的型線各 截面氣動性能優(yōu)良，沿型線高度方向面積變化合理，型線特性截面高階光順，亞音、跨音、超 音速流動特性優(yōu)異，用其設(shè)計開發(fā)的55英寸末級葉片葉身應(yīng)力小，滿足現(xiàn)有材料的強度規(guī) 范結(jié)構(gòu)要求。其結(jié)構(gòu)要素不同于現(xiàn)有產(chǎn)品，其技術(shù)性能的主要指標達到或超過現(xiàn)有同類產(chǎn) 品，整體綜合性能優(yōu)于現(xiàn)有同類產(chǎn)品。
[0022] 本發(fā)明本所要解決的技術(shù)問題及所采用的技術(shù)方案：
[0023] (1)葉型特性參數(shù)設(shè)計:基于工程所需邊界條件，確定該套葉型的排氣速度范圍在 200-250m/s范圍，使用根徑范圍在1800-2000mm，最大排氣面積可達15m2,有效葉高小于等 于1400mm。最大使用馬赫數(shù)小于2.2。
[0024] 采用流線曲率法完成低壓模塊的通流匹配，確定該套葉型的基本特性參數(shù)，幾何 進氣角的范圍為73-176°，有效幾何角的范圍為36.5-7.3°。
[0025] (2)葉型設(shè)計:本套葉型采用葉型專用=維造型軟件獲得特性截面42個，根據(jù)強度 設(shè)計要求修改各截面面積變化規(guī)律，得到滿足強度要求的葉型面積分布。采用全=元CFD分 析軟件對葉片級進行氣動分析，根據(jù)葉片級的流動特點，局部調(diào)整葉型輪廓線，獲得滿足根 部亞音速流動、中部跨音速流動、頂部超音速流動的各葉型截面。
[00%] (3)葉型優(yōu)化:采用高階Bezier曲線及=階C樣條曲線對本套葉型42個特性截面進 行了型線光順和局部修型，采用全=元優(yōu)化軟件Design3D對動葉各截面型線進行氣動性能 優(yōu)化，獲得幾何上高階光順的的各特性截面，同時氣動特性優(yōu)良。
[0027] (4)葉型特征：滿輪機超長末級動葉片型線為變截面扭曲型線，型線的安裝角、弦 長、軸向?qū)挾燃敖孛娣e由根部到頂部平滑過渡，所述型線由若干特征截面按一特定規(guī)律迭 合而成，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，其外形輪廓 見圖1、圖2,具有特征參數(shù)(參見圖3):安裝角cl、弦長bl、最大厚度wl、軸向?qū)挾萖a、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(diào)增加到1.0;與之相對應(yīng)，安裝角的絕對值Cl由81.692減小到5.875;從根截面到頂 截面的弦長bl的相對值變化規(guī)律為：1.67>bl>1.0;從根截面到頂截面的最大厚度Wl的相 對值變化規(guī)律為:5.56>wl > 1.0;從根截面到頂截面的軸向?qū)挾萖a的相對值變化規(guī)律為： 12.146>Xa> 1.0;從根截面到頂截面的面積A的相對值變化規(guī)律為：13.538>A> 1.0;
[00測相關(guān)變量定義：
[0029] H-葉片的有效高度，即葉片的葉身部分的長度:葉身頂截面與葉身根截面之間的 距離；
[0030] bl-弦長:葉身截面進、出汽邊的距離；
[0031] Cl-葉片安裝角:弦長bl與Y向的夾角；
[0032] Xa-軸向?qū)挾?葉身根截面軸向?qū)挾龋?br>[0033] Wl-最大厚度:葉身截面切向?qū)挾取?br>[0034] (5)葉型關(guān)鍵截面:本套型線共設(shè)及42個特性截面，其中的3個關(guān)鍵截面相對高度 及點列坐標見表1、表2。本專利技術(shù)設(shè)及的3個特征截面的輪廓形狀是關(guān)鍵技術(shù)，請求保護。 各特征截面的理論輪廓線用離散點坐標(X、Y)描述。W各特征截面的理論輪廓線的離散點 為圓屯、，半徑為0.5mm作包絡(luò)圓所設(shè)及的輪廓形狀范圍（稱為公差帶)受保護。W理論輪廓線 為基準，通過相似?；蛐D(zhuǎn)或平移所得到的形狀及相應(yīng)的公差帶均受本專利保護。
[0035] 表1型線關(guān)鍵截面型線相對高度 「nmAl 1_ - - - . J I^irn [-I-Ifj I 口 I J I . I |J-J /、、.、~T~.'|/|、
[00；3 引
[0039] (6)葉型特性截面疊合圖：葉型42個特性截面疊合圖見圖4,本專利技術(shù)設(shè)及的特 征截面的輪廓形狀的空間位置(成型規(guī)律)是關(guān)鍵技術(shù)，請求保護。W各特征截面的靜態(tài)空 間理論輪廓線為圓屯、，半徑為0.5mm作包絡(luò)圓所形成的面及成型規(guī)律構(gòu)成的空間形狀實體 范圍受保護。
[0040] 按本發(fā)明提供的各截面型線原形或作相似?；蛐D(zhuǎn)設(shè)計的二維葉柵將具有優(yōu) 良的氣動特性。W此套型線為基礎(chǔ)可設(shè)計出氣道高度小于等于1400的滿輪機末級動葉片系 列，所設(shè)計的末級動葉片不但有先進的氣動特性，而且能滿足強度振動的要求。
【主權(quán)項】
1. 一種大型汽輪機超長末級動葉片的葉身結(jié)構(gòu)，該葉片具有整體結(jié)構(gòu)的葉身、葉根、圍 帶、拉筋凸臺，所述葉身的型線是由若干特征截面按一特定規(guī)律迭合而成的變截面扭曲型 線，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C1、弦長b 1、最大厚度W1、軸向?qū)挾萖a、截面積A;其特征在于，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(diào)增加到1.0;與之相 對應(yīng)，安裝角的絕對值Cl由81.692單調(diào)減小到5.875;從根截面到頂截面的弦長bl的相對值 變化規(guī)律為：1.67>bl > 1.0;從根截面到頂截面的最大厚度Wl的相對值變化規(guī)律為:5.56 > 1.0;從根截面到頂截面的軸向?qū)挾萖a的相對值變化規(guī)律為：12.146>Xa> 1.0;從根 截面到頂截面的面積A的相對值變化規(guī)律為:13.538>A> 1.0; 相關(guān)變量定義： H-葉片的有效高度，即葉片的葉身部分的長度：葉身頂截面與葉身根截面之間的距 離； bl-弦長:葉身截面進、出汽邊的距離； Cl-葉片安裝角:弦長bl與Y向的夾角； Xa-軸向?qū)挾?葉身根截面軸向?qū)挾龋? Wl-最大厚度:葉身截面切向?qū)挾取?. 如權(quán)利要求1所述的大型汽輪機超長末級動葉片的葉身結(jié)構(gòu)，其特征在于，該葉片的 葉身型線由42個特性截面疊合構(gòu)成，其中有3個關(guān)鍵截面，即位于葉高4.12%處的B-B截面， 位于葉高50.02%處的M-M截面，位于葉高95.71 %處的Y-Y截面，運些關(guān)鍵截面控制點坐標 如下：3.如權(quán)利要求1所述的大型汽輪機超長末級動葉片的葉身結(jié)構(gòu)，其特征在于，該葉片的 長度為55英寸。
【文檔編號】F01D5/14GK105909316SQ201610221672
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年4月11日
【發(fā)明人】周顯丁, 方宇, 范小平, 鐘剛云, 吳其林, 范志飛, 尹明艷, 王順德, 杜曉琴, 陳鐵寧, 蒲守武, 茍小平
【申請人】東方電氣集團東方汽輪機有限公司