大型汽轮机超长末级动叶片的叶身结构的制作方法
【专利摘要】本发明公开一种大型汽轮机超长末级动叶片的叶身结构，该叶片的叶身型线是由若干特征截面按一特定规律叠合而成的变截面扭曲型线，所述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，具有特征参数：安装角c1、弦长b1、最大厚度w1、轴向宽度Xa、截面积A；截面的叠合规律是，沿叶高方向自根端向顶端，各截面连续光滑过渡；叶高H的相对值由0.0单调增加到1.0；与之相对应，安装角的绝对值c1由81.692单调减小到5.875；从根截面到顶截面的弦长b1的相对值变化规律为：1.67≥b1≥1.0；从根截面到顶截面的最大厚度w1的相对值变化规律为：5.56≥w1≥1.0；从根截面到顶截面的轴向宽度Xa的相对值变化规律为：12.146≥Xa≥1.0；从根截面到顶截面的面积A的相对值变化规律为：13.538≥A≥1.0。
【专利说明】
大型汽轮机超长末级动叶片的叶身结构
技术领域
[0001] 本发明属于汽轮机通流技术领域，设及湿冷汽轮机用末级动叶片型线，具体是一 种湿冷汽轮机用超长末级动叶片，为1300MW湿冷汽轮机开发，同时适用于功率等级为4F- 1200~1400MW湿冷汽轮机。
【背景技术】
[0002] 随着国民经济持续高速增长，全国范围对用电的需求也快速增长，中等容量的发 电机组已不能适应电力需求和环保节能的要求。因此发展高参数、大容量、高效、环保型燃 煤电站是发电行业面临和急待解决的主要问题，限制机组大容量化主要因素之一就是末级 叶片的长度。掌握高初参数及大容量燃煤电站技术的世界各国汽轮机制造商为数不多，由 于受到汽轮机末级长叶片的制约，通常采用不同的排汽缸数和模块化设计可W设计从 600MW~1300MW各型汽轮机。
[0003] 大型汽轮机的末级动叶片很长，也是汽轮机设计最主要的难点之一。目前，世界上 各大汽轮机制造厂均有自己的长叶片系列。如:GE公司拥有的3600rpm长叶片系列中，最长 的叶片为40英寸(Ti),30(K)rpm长叶片系列中，最长的叶片为48英寸钢叶片。日立和东芝公 司在GE公司的长叶片系列基础上，分别开发出了 300化pm的48英寸钢叶片。阿尔斯通公司的 最长3000rpm的叶片为46英寸钢叶片。4F-1200~1400MW湿冷汽轮机是我国自主开发的机 型，它的末级动叶片长度为55英寸等级，是目前世界上最长的，没有任何先例可W借鉴，必 须立足自主研制。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的，是提供一种适用于功率等级为4F-1200~1400MW湿冷汽轮机的末 级动叶片的叶身结构，其长度为55英寸等级，经精屯、计算、反复试验、不断修正，最后确定如 下技术方案：
[0005] -种大型汽轮机超长末级动叶片的叶身结构，该叶片具有整体结构的叶身、叶根、 围带、拉筋凸台，所述叶身的型线是由若干特征截面按一特定规律迭合而成的变截面扭曲 型线，所述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，具有特征参数： 安装角cl、弦长bl、最大厚度wl、轴向宽度Xa、截面积A;其特征在于，截面的迭合规律是，沿 叶高方向自根端向顶端，各截面连续光滑过渡;叶高H的相对值由0.0单调增加到1.0;与之 相对应，安装角的绝对值Cl由81.692单调减小到5.875;从根截面到顶截面的弦长bl的相对 值变化规律为：1.67>bl > 1.0 ;从根截面到顶截面的最大厚度Wl的相对值变化规律为： 5.56>wl > 1.0;从根截面到顶截面的轴向宽度Xa的相对值变化规律为：12.146>Xa> 1.0; 从根截面到顶截面的面积A的相对值变化规律为:13.538>A> 1.0;
[0006] 相关变量定义：
[0007] H-叶片的有效高度，即叶片的叶身部分的长度:叶身顶截面与叶身根截面之间的 距离；
[000引 bi-弦长:叶身截面进、出汽边的距离；
[0009] Cl-叶片安装角:弦长bl与Y向的夹角；
[0010] Xa-轴向宽度:叶身根截面轴向宽度；
[0011] Wl-最大厚度:叶身截面切向宽度。
[0012] 该叶片的叶身型线由42个特性截面叠合构成，其中有3个关键截面，即位于叶高 4.12%处的B-B截面，位于叶高50.02%处的M-M截面，位于叶高95.71 %处的Y-Y截面，运些 关键截面控制点坐标如下：
[0013]
[00141
[0015] 该叶片的长度为55英寸。
[0016] 经模拟试验证明，上述叶片的气动性能完全满足设计要求。
【附图说明】
[0017] 图1是叶身型线主视图。
[001引图2是叶身型线俯视图。
[0019] 图3是叶身截面特征参数示意图。
[0020] 图4是叶型叠合图。
【具体实施方式】
[0021] 本发明提供一种满轮机用超长动叶片，其关键和难点是叶身型线，设计的型线各 截面气动性能优良，沿型线高度方向面积变化合理，型线特性截面高阶光顺，亚音、跨音、超 音速流动特性优异，用其设计开发的55英寸末级叶片叶身应力小，满足现有材料的强度规 范结构要求。其结构要素不同于现有产品，其技术性能的主要指标达到或超过现有同类产 品，整体综合性能优于现有同类产品。
[0022] 本发明本所要解决的技术问题及所采用的技术方案：
[0023] (1)叶型特性参数设计:基于工程所需边界条件，确定该套叶型的排气速度范围在 200-250m/s范围，使用根径范围在1800-2000mm，最大排气面积可达15m2,有效叶高小于等 于1400mm。最大使用马赫数小于2.2。
[0024] 采用流线曲率法完成低压模块的通流匹配，确定该套叶型的基本特性参数，几何 进气角的范围为73-176°，有效几何角的范围为36.5-7.3°。
[0025] (2)叶型设计:本套叶型采用叶型专用=维造型软件获得特性截面42个，根据强度 设计要求修改各截面面积变化规律，得到满足强度要求的叶型面积分布。采用全=元CFD分 析软件对叶片级进行气动分析，根据叶片级的流动特点，局部调整叶型轮廓线，获得满足根 部亚音速流动、中部跨音速流动、顶部超音速流动的各叶型截面。
[00%] (3)叶型优化:采用高阶Bezier曲线及=阶C样条曲线对本套叶型42个特性截面进 行了型线光顺和局部修型，采用全=元优化软件Design3D对动叶各截面型线进行气动性能 优化，获得几何上高阶光顺的的各特性截面，同时气动特性优良。
[0027] (4)叶型特征：满轮机超长末级动叶片型线为变截面扭曲型线，型线的安装角、弦 长、轴向宽度及截面积由根部到顶部平滑过渡，所述型线由若干特征截面按一特定规律迭 合而成，所述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，其外形轮廓 见图1、图2,具有特征参数(参见图3):安装角cl、弦长bl、最大厚度wl、轴向宽度Xa、截面积 A;截面的迭合规律是，沿叶高方向自根端向顶端，各截面连续光滑过渡;叶高H的相对值由 0.0单调增加到1.0;与之相对应，安装角的绝对值Cl由81.692减小到5.875;从根截面到顶 截面的弦长bl的相对值变化规律为：1.67>bl>1.0;从根截面到顶截面的最大厚度Wl的相 对值变化规律为:5.56>wl > 1.0;从根截面到顶截面的轴向宽度Xa的相对值变化规律为： 12.146>Xa> 1.0;从根截面到顶截面的面积A的相对值变化规律为：13.538>A> 1.0;
[00測相关变量定义：
[0029] H-叶片的有效高度，即叶片的叶身部分的长度:叶身顶截面与叶身根截面之间的 距离；
[0030] bl-弦长:叶身截面进、出汽边的距离；
[0031] Cl-叶片安装角:弦长bl与Y向的夹角；
[0032] Xa-轴向宽度:叶身根截面轴向宽度；
[0033] Wl-最大厚度:叶身截面切向宽度。
[0034] (5)叶型关键截面:本套型线共设及42个特性截面，其中的3个关键截面相对高度 及点列坐标见表1、表2。本专利技术设及的3个特征截面的轮廓形状是关键技术，请求保护。 各特征截面的理论轮廓线用离散点坐标(X、Y)描述。W各特征截面的理论轮廓线的离散点 为圆屯、，半径为0.5mm作包络圆所设及的轮廓形状范围（称为公差带)受保护。W理论轮廓线 为基准，通过相似模化或旋转或平移所得到的形状及相应的公差带均受本专利保护。
[0035] 表1型线关键截面型线相对高度 「nmAl 1_ - - - . J I^irn [-I-Ifj I 口 I J I . I |J-J /、、.、~T~.'|/|、
[00；3 引
[0039] (6)叶型特性截面叠合图：叶型42个特性截面叠合图见图4,本专利技术设及的特 征截面的轮廓形状的空间位置(成型规律)是关键技术，请求保护。W各特征截面的静态空 间理论轮廓线为圆屯、，半径为0.5mm作包络圆所形成的面及成型规律构成的空间形状实体 范围受保护。
[0040] 按本发明提供的各截面型线原形或作相似模化或旋转设计的二维叶栅将具有优 良的气动特性。W此套型线为基础可设计出气道高度小于等于1400的满轮机末级动叶片系 列，所设计的末级动叶片不但有先进的气动特性，而且能满足强度振动的要求。
【主权项】
1. 一种大型汽轮机超长末级动叶片的叶身结构，该叶片具有整体结构的叶身、叶根、围 带、拉筋凸台，所述叶身的型线是由若干特征截面按一特定规律迭合而成的变截面扭曲型 线，所述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，具有特征参数:安 装角C1、弦长b 1、最大厚度W1、轴向宽度Xa、截面积A;其特征在于，截面的迭合规律是，沿叶 高方向自根端向顶端，各截面连续光滑过渡;叶高H的相对值由0.0单调增加到1.0;与之相 对应，安装角的绝对值Cl由81.692单调减小到5.875;从根截面到顶截面的弦长bl的相对值 变化规律为：1.67>bl > 1.0;从根截面到顶截面的最大厚度Wl的相对值变化规律为:5.56 > 1.0;从根截面到顶截面的轴向宽度Xa的相对值变化规律为：12.146>Xa> 1.0;从根 截面到顶截面的面积A的相对值变化规律为:13.538>A> 1.0; 相关变量定义： H-叶片的有效高度，即叶片的叶身部分的长度：叶身顶截面与叶身根截面之间的距 离； bl-弦长:叶身截面进、出汽边的距离； Cl-叶片安装角:弦长bl与Y向的夹角； Xa-轴向宽度:叶身根截面轴向宽度； Wl-最大厚度:叶身截面切向宽度。2. 如权利要求1所述的大型汽轮机超长末级动叶片的叶身结构，其特征在于，该叶片的 叶身型线由42个特性截面叠合构成，其中有3个关键截面，即位于叶高4.12%处的B-B截面， 位于叶高50.02%处的M-M截面，位于叶高95.71 %处的Y-Y截面，运些关键截面控制点坐标 如下：3.如权利要求1所述的大型汽轮机超长末级动叶片的叶身结构，其特征在于，该叶片的 长度为55英寸。
【文档编号】F01D5/14GK105909316SQ201610221672
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年4月11日
【发明人】周显丁, 方宇, 范小平, 钟刚云, 吴其林, 范志飞, 尹明艳, 王顺德, 杜晓琴, 陈铁宁, 蒲守武, 苟小平
【申请人】东方电气集团东方汽轮机有限公司