烟气轮机动叶片组件和烟气轮机的制作方法

1.本公开涉及炼油、化工技术领域，具体地，涉及一种烟气轮机动叶片组件和烟气轮机。


背景技术：

2.烟气轮机作为催化裂化装置的重要节能设备，烟气轮机介质是含有催化剂粉尘颗粒的高温烟气，烟气轮机动叶片的工作环境比较恶劣，烟气轮机叶片断裂的情况时有发生。近年来，催化装置及机组向着大型化的方向发展，但是受到国内制造加工水平以及机组匹配的限制，烟气轮机轮盘直径无法同步增加。烟气轮机动叶片承受了很高的应力，现有动叶片榫齿部位的强度储备已经无法满足需求。在一些改造项目中也出现了烟气轮机运行参数变化较大导致动叶片应力核算无法满足要求的情况。为了保证烟气轮机效率，通过改变动叶片叶型、降低转速等传统方式来降低动叶片应力也不具备可行性。对烟气轮机动叶片组件进行优化，提高动叶片组件的强度储备迫在眉睫。
3.据调查发现，国内催化装置近年来所出现的烟气轮机动叶片断裂事故中，往往是动叶片在榫齿最上面部位发生断裂。也有大量的文章对此类事故进行了原因分析，分析结果多是腐蚀损伤、应力集中发生疲劳断裂，或者是在断裂横断面出接触不均匀。如文章《烟气轮机动叶片断裂原因分析》中就针对一起烟气轮机动叶片断裂事故进行了分析，但是关于应力集中出现的根本原因以及如何从结构上改善应力集中问题的研究很少，关于如何去通过合理设计来使得动叶片各个榫齿实现应力等比例分配的研究更是几乎没有。
4.相关技术中，也有学者提出了通过对动叶片进行参数化建模对动叶片的受力状态进行优化，如论文《透平机械枞树形叶根轮缘优化方法研究》，但仅仅是优化各个参数，并没有对动叶片榫齿和轮盘榫根进行差异化设计。
5.另外，相关专利中试图通过增加齿数来改善动叶片的受力，但是齿数的增加会导致动叶片榫齿尺寸的增大，会带来一些新的问题，并且该申请也没考虑到榫齿与榫根无法实现均匀接触的问题。


技术实现要素：

6.本公开的第一个目的是提供一种烟气轮机动叶片组件，该烟气轮机动叶片组件能够解决在第二工作状态下榫齿与榫根无法实现均匀接触，远离端部的榫齿容易发生断裂的问题。
7.本公开的第二个目的是提供一种烟气轮机，该烟气轮机包括本公开提供的烟气轮机动叶片组件。
8.为了实现上述目的，本公开提供一种烟气轮机动叶片组件，包括动叶片和用于带动所述动叶片转动的轮盘，所述动叶片为环绕所述轮盘周向设置的多个且每个所述动叶片的榫齿和所述轮盘的榫根相啮合，所述榫齿和所述榫根具有多对沿径向依次设置相啮合的轮齿和齿槽，所述榫齿的齿距与所述榫根的齿距不同，以使得所述烟气轮在第一工作状态
时，位于端部的榫齿先与榫根相接触，在由第一工作状态到第二工作状态的过程中，多个榫齿依次与榫根相接触。
9.可选地，所述榫根的齿距大于所述榫齿的齿距。
10.可选地，所述榫根的齿距比所述榫齿的齿距大0～0.05mm。
11.可选地，当所述榫齿和所述榫根的齿距存在加工公差时，所述榫根齿距的上偏差为正值、下偏差为零；所述榫齿齿距的上偏差为零、下偏差为负值。
12.可选地，所述榫齿的下偏差为-0.05～0mm，所述榫根的上偏差为0～0.05mm。
13.可选地，所述榫齿呈枞树型。
14.可选地，所述轮盘的直径为500mm～1500mm。
15.可选地，所述动叶片的数量为20～70片。
16.可选地，所述榫齿形成于所述动叶片的端部，且所述榫齿的两侧分别形成有多个径向依次设置的轮齿，所述榫根内壁的两侧分别形成有多个与所述轮齿相啮合的齿槽，每一侧所述榫齿和所述榫根的齿距不同。
17.根据本公开的第二个方面，还提供一种烟气轮机，包括如上所述的烟气轮机动叶片组件。
18.通过上述技术方案，本公开提供的烟气轮机动叶片组件通过对榫齿的齿距与榫根的齿距进行差异化设计，使榫齿的齿距与榫根的齿距不相等，在第一工作状态下，位于端部的榫齿先与榫根接触，在由第一工作状态到第二工作状态的过程中，在离心力的作用下，榫齿发生微小变形，沿径向由内向外多个榫齿依次与榫根相接触，多个榫齿均匀分担受力，极大的降低了尤其是远离端部的榫齿处的应力集中，提高了烟气轮动叶片组件的强度储备，保证烟气轮机以及装置的长期稳定运行。
19.本公开的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
20.附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：
21.图1是本公开一示例性实施方式提供的烟气轮机动叶片组件的结构示意图；
22.图2是现有技术的烟气轮机动叶片组件在第二工作状态下榫根与榫齿接触情况示意图；
23.图3是本公开一示例性实施方式提供的烟气轮机动叶片组件在第一工作状态下的结构示意图；
24.图4是本公开一示例性实施方式提供的烟气轮机动叶片组件在第二工作状态下榫根与榫齿接触情况示意图。
25.附图标记说明
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轮盘
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11
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榫根
[0027]
111
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1号榫根
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112
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2号榫根
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113
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3号榫根
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动叶片
[0029]
21
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榫齿
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211
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1号榫齿
[0030]
212
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2号榫齿
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213
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3号榫齿
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轮齿
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齿槽
[0032]
l1
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相邻榫齿的齿距
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l2
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相隔榫齿的齿距
[0033]
s1
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相邻榫根的齿距
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s2
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相隔榫根的齿距
具体实施方式
[0034]
以下结合附图对本公开的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本公开，并不用于限制本公开。
[0035]
在本公开中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“轴向、径向”通常是指在本公开提供的烟气轮机动叶片组件正常工作的情况下，相对于轮盘1的旋转中心而言的，“内”、“外”是指相应部件轮廓的内和外。此外，本公开中使用的术语“第一”、“第二”等是为了区别一个要素和另一个要素，不具有顺序性和重要性。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。
[0036]
参考图1至图4，本具体实施方式提供了一种烟气轮机动叶片组件，烟气轮机的工作温度为200℃～1200℃，可选为670℃。该烟气轮机动叶片组件包括动叶片2和用于带动动叶片2转动的轮盘1，动叶片2为环绕轮盘1周向设置的多个且每个动叶片2的榫齿21和轮盘1的榫根11相啮合，如图3所示，榫齿21和榫根11具有多对沿径向依次设置相啮合的轮齿3和齿槽4，其中，榫齿21的齿距与榫根11的齿距不同，以使得烟气轮在第一工作状态时，如图4所示，位于端部的榫齿21先与榫根11相接触，在由第一工作状态到第二工作状态的过程中，多个榫齿依次与榫根相接触。这里，需要说明的是，“第一工作状态”为烟气轮机动叶片组件的非工作状态，即冷状态，“第二工作状态”为烟气轮机动叶片组件运行时产生热量的热状态。通过对榫齿21的齿距与榫根11的齿距进行设计，将两者采取差异化设计，使榫齿21的齿距与榫根11的齿距不相等，以使榫齿21与榫根11在由第一工作状态到第二工作状态的过程中，由于轮盘1带动动叶片2旋转时会产生离心力进而生成了挤压力，位于端部的榫齿21先与榫根11相接触，在离心拉力的作用下，动叶片发生变形，远离端部的榫齿21与榫根11逐渐接触，能达到各轮齿3受力均匀的效果，降低动叶片组件集中应力，避免在第二工作状态下由于受离心力变形等因素的影响，导致各个榫齿21受力不均匀发生断裂。
[0037]
现有的设计中，如图2所示，通常将榫齿21的齿距与榫根11的齿距设计为相等的，例如，s1＝l1＝17mm，s2＝l2＝34mm，并且，当榫齿21的齿距与榫根11的齿距在没有加工误差时，各个榫齿21的轮齿3与对应位置的榫根11的齿槽4相啮合，这种情况下，虽然在第一工作状态下榫齿21与榫根11同时接触，但在由第一工作状态到第二工作状态运行的过程中，通常最远离端部的榫齿21，即如图2中所示的图面最上方的榫齿21承担了大部分的动叶片离心力，最易断裂。而且在实际生产中，榫齿21的齿距与榫根11的齿距都会存在加工公差，这在实际生产过程中是不可避免的，一旦出现了制造误差，尤其是出现了榫根11的齿距的加工误差为下偏差、榫齿21的齿距的加工误差为上偏差的情况，就会导致远离端部的榫齿21先与榫根11接触，而位于端部的榫齿21处于悬空不受力状态，这种情况下动叶片的离心力几乎全部被如图2中所示的图面最上方的榫齿21承担，动叶片应力集中，发生疲劳断裂几乎不可避免。
[0038]
通过上述设计，在本公开提供的机动叶片组件中，在第一工作状态下，位于端部的榫齿21先与榫根11接触，在由第一工作状态到第二工作状态的过程中，在离心力的作用下，
榫齿21发生微小变形，沿径向由内向外多个榫齿21依次与榫根11相接触，多个榫齿21均匀分担受力，极大的降低了尤其是远离端部的榫齿21处的应力集中，提高了烟气轮动叶片组件的强度储备，保证烟气轮机以及装置的长期稳定运行。
[0039]
作为本公开的一示例性实施方式，榫根11的齿距大于榫齿21的齿距，使得在理想零加工误差状态下或者即使出现允许的加工误差后，在第一工作状态下，位于端部的榫齿21即如图3中所示的图面最下方的榫齿21先与榫根11接触，然后在由第一工作状态到第二工作状态的过程中，榫齿21在离心拉力的作用下发生微小变形，远离端部的榫齿21即如图3中所示的图面最上方的榫齿21逐渐与榫根11发生接触，最终状态为榫齿2的各个轮齿均匀分担受力，极大的降低了榫齿21的应力集中，提高烟气轮机转子组件的强度储备。
[0040]
经过应力计算分析，榫根11的齿距比榫齿21的齿距大0～0.05mm时，榫齿21与榫根11的接触面应力是较低的，不易造成断裂。
[0041]
在本公开的一示例性实施方式中，当榫齿21和榫根11的齿距存在加工公差时，榫根11齿距的上偏差为正值、下偏差为零；榫齿21齿距的上偏差为零、下偏差为负值。
[0042]
下面通过应力分析，将本具体实施例与现有技术进行对比，进一步阐述本公开的优越性。另外，这里为了描述方便，将图3中所示的榫齿21自下而上依次命名为：1号榫齿211、2号榫齿212、3号榫齿213，将图3中所示的榫根11自下而上依次命名为：1号榫根111、2号榫根112、3号榫根113，实际上，本公开对榫齿21和榫根11相啮合的轮齿3和齿槽4的对数不做限制。
[0043]
工况1：为本实施例工况，取相邻榫根的齿距s1＝17.01mm，相隔榫根的齿距s2＝34.01mm，取相邻榫齿的齿距l1＝17mm，相隔榫齿的齿距l2＝34mm；并且榫根11的齿距的公差带的设置为上偏差为+0.01mm、下偏差为0，榫齿21的齿距的公差带的设置为上偏差为0、下偏差为-0.01mm，在实际的加工过程中，榫齿21的齿距加工误差为零，榫根11的齿距加工误差为+0.01mm。这样，在本实施例中，实际加工完成后相邻榫根的齿距s1＝17.02mm＞相邻榫齿的齿距l1＝17mm，相隔榫根的齿距s2＝34.02mm＞相隔榫齿的齿距l2＝34mm。在第一工作状态下，1号榫齿211先与1号榫根111相接触，2号榫齿212与2号榫根112有0.02mm的间隙，3号榫齿213与3号榫根113有0.02mm的间隙。在由第一工作状态变为第二工作状态的过程中，在离心拉力的作用下，动叶片2发生变形，然后2号榫齿212与2号榫根112逐渐接触，3号榫齿213与3号榫根113逐渐接触，保证不会出现有榫齿21与榫根11不接触的情况，并且能实现三对榫齿21的受力比较均匀的效果。
[0044]
工况2：在现有技术下，通常榫根11的齿距等于榫齿21的齿距，即相邻榫根的齿距s1＝相邻榫齿的齿距l1＝17mm，相隔榫根的齿距s2＝相隔榫齿的齿距l2＝34mm；并且榫根11的齿距与榫齿21的齿距的公差带一致，即榫根11的齿距上偏差为+0.01mm、下偏差为-0.01mm、榫齿21的齿距上偏差为+0.01mm、下偏差为-0.01mm。假设没有出现加工误差，则实际加工完成后相邻榫根的齿距s1＝相邻榫齿的齿距l1＝17mm，相隔榫根的齿距s2＝相隔榫齿的齿距l2＝34mm。在第一工作状态下，三对榫齿21与榫根11同时接触，但是在由第一工作状态到第二工作状态的过程中，3号榫齿处易出现应力集中。
[0045]
工况3：在实际的加工过程中，误差不可避免，故在现有技术发生加工误差的情况下，假设轮盘榫根11的齿距实际的加工误差为-0.01mm，榫齿21的齿距实际的加工误差为+0.01mm。实际加工完成后相邻榫根的齿距s1＝16.99mm，相隔榫根的齿距s2＝33.99mm，相邻
榫齿的齿距l1＝17.01mm，相隔榫齿的齿距l2＝34.01mm。在第一工作状态变为第二工作状态的过程中，3号榫齿213与3号榫根113先接触上，2号榫齿212与2号榫根112有0.02mm的间隙，1号榫齿211与1号榫根111有0.02mm的间隙。图2所示最上方的3号榫齿213与3号榫根113承担的大部分离心力。
[0046]
在工况1、工况2、工况3三种情况下，动叶片三对榫齿21的最大集中应力σ(mpa)的分析结果如下：
[0047][0048]
通过上述实验结果可以发现，本实施例工况1的最大集中应力低于现有技术，三对榫齿均匀承担了动叶片的离心力；现有技术工况2即使不出现加工误差，3号榫齿的最大集中应力也基本接近材料的屈服极限，况且在平时加工过程中加工误差是不可避免的；当出现加工误差时，即工况3，3号榫齿承担了大部分离心力，最大集中应力将超过屈服极限，无法满足设计要求。
[0049]
具体地，在本实施方式中，在榫齿21和榫根11的齿距加工过程中，控制榫齿21的下偏差为-0.05～0mm，榫根11的上偏差为0～0.05mm，能够保证在第一工作状态下，端部的榫齿21先与榫根11相接触。
[0050]
本公开实施例中，榫齿21形成于动叶片2的端部，且榫齿21的两侧分别形成有多个径向依次设置的轮齿3，榫根11内壁的两侧分别形成有多个与轮齿3相啮合的齿槽4，现有技术中每一侧榫齿21和榫根11的齿距均相等，但经过应力分析发现这种情况下应力不是最低的。根据一种实施例，本公开根据应力计算结果将每一侧榫齿21和榫根11的齿距设置成不一样的数值，以使各榫齿21和榫根11的接触面应力达到最低值。
[0051]
在本实施方式中，如图3所示，榫齿21可以呈枞树型，在其他实施方式中，榫齿21也可以“t”型，轮齿3形成于t型结构的水平段的两侧。另外，动叶片2的数量为20～70片，可选为58片。轮盘1直径为500mm～1500mm，可选为1250mm。
[0052]
本公开的另一方面，还提供一种烟气轮机，包括上文介绍的烟气轮机动叶片组件。所述烟气轮机与上述烟气轮机动叶片组件相对于现有技术所具有的优势相同，在此不再赘述。
[0053]
以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。
[0054]
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。
[0055]
此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本
公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。