一种汽轮机及其错位排布的枞树型叶根轮缘槽结构的制作方法

本发明属于透平机械技术领域，特别涉及一种汽轮机及其错位排布的枞树型叶根轮缘槽结构。

背景技术：

以汽轮机为动力的汽轮发电机组，广泛应用于现代常规的火力发电厂、核电站及地热发电站中。叶片是汽轮机中将蒸汽动能转换为机械功的重要部件，叶根在整个叶片结构中，起着最主要的承载作用。在工作状态下，叶根承受着叶片自身巨大的离心力载荷、温度导致的热应力载荷以及稳态气流力载荷；叶根与对应的轮缘接触区域存在复杂的接触应力，导致严重的应力集中，长此以往对叶片的安全性造成威胁，其对应的轮缘接触面也会因承载应力过大而疲劳失效。因此叶根的设计和安装对于保证汽轮机叶片工作时的安全极为重要。

常见的叶片-叶轮扇区是周期对称结构，叶根安装在叶轮上的径向深度相同，如图5中虚线所示，因此整圈叶根的每个齿面和对应的轮缘接触面在同一径向位置上，相邻两个叶轮扇区的轮缘接触面之间的周向厚度较小，在工作时又受到叶根的周向挤压而使承载能力降低。因此需要设计更好的叶根结构及安装方式来增加叶根齿面和叶轮接触面的承载水平。

另一方面，叶片在实际运行时，除了要满足强度要求，振动性能也是一个需要重点关注的问题。叶片在气流激振力的作用下发生机械振动，由振动应力导致的高周疲劳是叶片失效的主要原因之一。因此，改善叶片的振动特性，降低叶片的共振动应力，对提高叶片的寿命和安全性至关重要。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种汽轮机及其错位排布的枞树型叶根轮缘槽结构，以解决上述存在的技术问题。本发明设置有两种叶片叶根和对应的轮缘形式，两种叶根在轮缘上的径向安装深度不同，叶根错位排布可使得叶根的每个齿面和对应的轮缘接触面错位分布，增大相邻轮缘接触面间的叶轮周向厚度，可提升叶根齿面和轮缘接触面的承载水平，确保叶片工作的安全性。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种枞树型叶根，包括：叶根齿面部、叶根平台部和过渡部；过渡部设置于叶根齿面部和叶根平台部之间；过渡部的两端分别与叶根齿面部和叶根平台部相连接，且连接处圆角过渡；过渡部的高度小于等于叶根齿面部的高度。

一种汽轮机错位排布的枞树型叶根轮缘槽结构，包括：叶根和轮缘槽；叶根的数量为多个；叶根包括：第一叶根和第二叶根，第一叶根和第二叶根间隔布置；第一叶根包括：第一叶根齿面部和第一叶根平台部；第二叶根包括：第二叶根齿面部、第二叶根平台部和过渡部；过渡部设置在第二叶根齿面部和第二叶根平台部之间；第一叶根的安装深度小于第二叶根的安装深度；轮缘槽的数量与叶根数量相同；轮缘槽包括两种，一种与第一叶根的形状相同，另一种与第二叶根的形状相同；两种轮缘槽交替成圈布置。

进一步地，第二叶轮扇区的角度大于第一叶轮扇区的角度；第二叶轮扇区为径向安装深度较大的叶根所在叶轮扇区，第一叶轮扇区为径向安装深度较小的叶根所在叶轮扇区。

进一步地，第一叶根和第二叶根均为枞树型叶根，所述枞树型叶根的齿数范围为两齿至四齿。

进一步地，第二叶根齿面部的第一齿与过渡部的连接在径向上采用相切设计。

进一步地，第一叶根和第二叶根均为轴向安装的叶片的叶根。

进一步地，过渡部与轮缘槽在轴向宽度上采用间隙配合公差。

进一步地，相邻的第一叶根平台部与第二叶根平台部通过销钉连接。

进一步地，第一叶根平台部以及第二叶根平台部的连接侧均设置有半个安装孔；第一叶根平台部的连接侧的半个安装孔与相邻的第二叶根平台部的连接侧的半个安装孔组成销钉的销钉安装孔，销钉与销钉安装孔在轴向宽度上采用间隙配合公差。

一种汽轮机，包括本发明所述的枞树型叶根轮缘槽结构。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明的汽轮机错位排布的枞树型叶根轮缘槽结构，设置有两种不同的叶根以及对应的轮缘槽，两种叶根在轮缘上的径向安装深度不同，两种叶根安装错位排布，可使得两种叶根的每个齿面和对应的轮缘接触面错位分布，可增大相邻轮缘接触面间的叶轮周向厚度，可提升叶根齿面和轮缘接触面的承载水平。

进一步地，本发明可扩大径向安装深度较大的扇区斜度，使得其能抵抗来自径向安装深度较小的扇区的离心作用的切向分力，增加了叶根齿面和轮缘接触面的承载能力，提高叶轮的强度安全性。

进一步地，叶根型式为通用结构，可适用于具有两齿至四齿的枞树型叶根结构，可增加该结构的适用承载范围，可使用于多种转速和功率的工况中，有利于大面积推广使用。

进一步地，对于径向安装深度较大的枞树型叶根，其叶根第一齿与连接过渡部分在径向上采用相切设计，从而在很大程度上减小了叶根齿面对轮缘接触面的离心挤压，可降低叶根第一齿面与对应轮缘接触面处的应力集中程度。

进一步地，径向安装深度较大的叶根的齿面和平台之间的过渡部分与该段轮缘槽在轴向宽度上采用间隙配合公差，使叶根轴向定位；径向安装深度较大的叶根的齿面和平台之间的过渡部分与轮缘的间隙允许轮缘和叶片在受热后能自由膨胀，可减小工作中产生的热应力。

进一步地，相邻的两种叶根平台之间采用成圈的销钉结构，既起到定位作用，又能在工作时产生阻尼作用，确保叶片工作的安全性。在叶片工作时，相邻叶根在销钉的作用下相互夹紧，并产生摩擦阻尼，销钉在离心力的作用下，沿周向移动从而贴近叶根平台面，产生作用力，这样销钉能使得相邻叶片间相互挤紧，整圈叶片在周向上不会出现松动，可提高叶根工作的安全性。

进一步地，叶根平台之间的过渡体采用成圈的销钉结构，销钉与安装孔在轴向宽度上采用间隙配合公差用以轴向定位，工作时相邻叶片在销钉的作用下相互夹紧并产生摩擦阻尼，销钉在离心力的作用下，沿周向移动从而贴近叶根平台面，从而降低叶片的振动水平。

附图说明

图1是现有的叶片的基本结构示意图；

图2是现有的叶片叶根与轮槽配合结构示意图；

图3是本发明的一种汽轮机错位排布的枞树型叶根的结构示意图；

图4是本发明的一种汽轮机错位排布的枞树型叶根整圈排布示意图；

图5是本发明的一种与汽轮机错位排布的枞树型叶根相匹配的轮缘槽的结构示意图；

图6是本发明的一种与汽轮机错位排布的枞树型叶根相匹配的整圈轮缘槽的结构示意图；

图7是本发明的一种汽轮机错位排布的枞树型叶根轮缘槽结构的示意图；

图8是本发明采用的销钉的结构示意图；

图9是本发明中采用销钉连接的剖视结构示意图；

图10是本发明采用销钉连接的叶根与轮缘槽配合的结构示意图；

图中，1、叶身部；2、叶根部；21、第一叶根；211、第一叶根齿面部；212、第一叶根平台部；22、第二叶根；221、第二叶根齿面部；222、第二叶根平台部；223、过渡部；3、围带部；4、轮缘槽；41、第一叶轮扇区；42、第二叶轮扇区；5、销钉。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

对比例，请参阅图1和图2，目前的叶片的基本结构主要由叶身部1、叶根部2以及部分叶片含有的围带部3组成。动叶片叶根是叶片中重要的部分，其与叶轮的轮槽相配合，由于汽轮机末几级和调节级载荷较大，因此需要选择承载能力较高的枞树型叶根。

本发明为一种大承载错位排布的枞树型叶根及与其配合的轮缘槽结构，包括两种错位排布的叶根、对应配合的轮槽和装配成圈的销钉5结构，装配时叶根齿面与轮缘承载面接触，叶根和轮槽非承载面、径向安装深度较大的叶根的齿面和平台之间的过渡部223、销钉5与安装孔轴向宽度上采用间隙配合公差，用以轴向定位。两种叶根安装深度不同，且错位排布，较目前形式可增大相邻轮缘接触面间的叶轮周向厚度；径向安装深度较大的扇区的斜度较大，使得其能抵抗来自径向安装深度较小的扇区的离心作用的切向分力，可增加叶根齿面和轮缘接触面的承载能力。

请参阅图3至图7，本发明的一种汽轮机错位排布的枞树型叶根轮缘槽结构，具有两种枞树型叶根形式，安装深度长短不同，交错布置，叶根为轴向安装的叶片叶根，叶根为两齿至四齿的枞树型叶根，可以满足不同屈服强度要求的工况；一类为常见的叶根型式，由叶根齿部分和叶根平台部分组成；另一类叶根型式在叶根齿部分和叶根平台部分的基础上增加了叶根齿面和叶根平台之间的过渡部223，长度较第一类叶根增加了h(0＜h≤l，h≠l/2)，以l为优选，l为第一叶根21的安装深度；径向安装深度较大的叶根，其第一齿与连接过渡部223之间采用平滑衔接设计，从而在很大程度上减小了叶根齿面对轮缘接触面的离心挤压，可降低叶根第一齿面与对应轮缘接触面处的应力集中程度。两种类型的叶根安装在轮缘上时在径向上成高低交错排布，并在叶根平台处保持相同的径向安装尺寸。径向安装深度较大的叶根的齿面和平台之间的过渡部223轴向宽度与该段轮缘槽4在轴向宽度上采用间隙配合公差，使叶根轴向定位；叶根的齿面和平台之间的过渡部分的引入增加了非承载面的间隙，允许轮缘和叶根在受热后能自由膨胀，可减小工作中产生的热应力。叶根安装对应轮缘槽4的径向安装深度不同，相邻轮缘的安装深度错位排布；两种类型的叶根安装在轮缘上时在径向上成高低交错排布，并在叶根平台处保持相同的径向安装尺寸。整圈叶片由销钉5连接，如图4所示。叶根平台之间的过渡体采用成圈的销钉结构用以安装定位，相邻叶根平台之间通过销钉结构夹紧，在工作时叶根间相互胀紧，以此产生摩擦阻尼作用，确保叶片工作的振动安全性。具体的，叶根平台之间的过渡体采用成圈的销钉结构，销钉5与安装孔在轴向宽度上采用间隙配合公差用以轴向定位，工作时相邻叶片在销钉5的作用下相互夹紧并产生摩擦阻尼，销钉5在离心力的作用下，沿周向移动从而贴近叶根平台面，从而降低叶片的振动水平。

请参阅图5至图7，具体地，叶片安装对应轮缘的径向安装深度错位排布，第一叶轮扇区41对应径向安装深度较小的第一叶根21，第二叶轮扇区42对应径向安装深度较大的第二叶根22，安装深度增加h(0＜h≤l，h≠l/2)，以l为优选。各叶片-叶轮扇区不是周期对称结构即轮缘槽4对应的各扇区不是周期对称结构，相邻叶片扇区的角度较扇区的角度大，即径向安装深度较大的扇区的斜度较大，使得其能抵抗来自径向安装深度较小的扇区的离心作用的切向分力，增加叶轮的强度安全性。从图5中可看出，相邻叶根齿面的周向距离由原来的δ增加至δ′。各扇区为非周期对称结构，径向安装深度较大的第二叶轮扇区42的斜度较第一叶轮扇区41增大θ角度，使得其能抵抗来自径向安装深度较小的扇区的离心作用的切向分力，增加了叶根齿面和轮缘接触面的承载能力。如图5中虚线所示；对于径向安装深度较大的枞树型叶根，叶根第一齿与连接过渡部223采用平滑衔接，改善了由于叶根离心作用而对轮缘产生的挤压状况，可降低叶根第一齿面与对应轮缘接触面处应力剧烈变化的程度，缓解应力集中现象，提高了叶根及轮缘的承载能力。叶轮的整圈排布如图6和图7所示。解释说明：第一叶根21为错列排布叶片中径向安装深度较小的叶根；第一叶根齿面部211为径向安装深度较小的叶根的齿面部分；第一叶根平台部212为径向安装深度较小的叶根的平台部分；第二叶根22为错列排布叶片中径向安装深度较大的叶根；第二叶根齿面部221为径向安装深度较大的叶根的齿面部分；第二叶根平台部222为径向安装深度较大的叶根的平台部分；过渡部223为径向安装深度较大的叶根的齿面和平台之间的过渡部分；围带部位叶片的围带部分；轮缘槽4为与叶根配合的轮缘部分；第一叶轮扇区41为径向安装深度较小的叶根所在叶轮扇区；第二叶轮扇区42为径向安装深度较大的叶根所在叶轮扇区；销钉5为叶根平台间轴向安装定位的销钉。

参见图8和图9，销钉5与安装孔在轴向宽度上采用间隙配合公差，使得叶根平台轴向定位。

参见图10，相邻叶片在销钉的作用下相互夹紧，并产生摩擦阻尼，销钉在离心力的作用下，沿周向移动从而贴近叶根平台面，产生作用力，这样销钉能使得相邻叶片间相互挤紧，整圈叶片在周向上不会出现松动，提高了叶根工作的安全性。具体地，目前可以通过增加叶片阻尼结构，或调开叶片固有振动频率与气流激振频率等两种方式来改善叶片的振动性能。目前包括阻尼围带、松拉金和凸台拉金等叶片阻尼结构已经广泛应用于汽轮机叶片设计中，而采用销钉结构，既可以作为紧固件，起到安装定位的作用，也可以通过在工作时产生的摩擦阻尼作用使相邻叶片间相互挤紧，提高了叶根工作的振动安全性。

本发明的一种汽轮机，将本发明的上述叶根轮缘槽连接结构应用于载荷较大、承载能力要求较高的汽轮机调节级和末几级的叶片与叶轮的连接和安装中。安装时本发明结构按照第一叶根、第二叶根、第一叶根以此类推的顺序轴向插入叶轮轮槽中，使叶根齿面与轮槽承载面良好接触，在叶根平台间的安装孔插入销钉结构使叶根连接成整圈，轴向宽度上均采用间隙配合公差进行定位。

综上，本发明针对轴向安装的叶片(如枞树型叶片)提出了一种结构，旨在解决传统周期排布的枞树型叶根齿和对应轮缘接触面承载应力过大的问题；该结构有两种叶片叶根和对应的轮缘形式，两种叶根在轮缘上的径向安装深度不同，叶根错位排布，从而使得叶根的每个齿面和对应的轮缘接触面错位分布，增大了相邻轮缘接触面间的叶轮周向厚度，提升了叶根齿面和轮缘接触面的承载水平；且扩大径向安装深度较大的叶轮扇区斜度，使得其能抵抗来自径向安装深度较小的扇区的离心作用的切向分力，增加了叶根齿面和轮缘接触面的承载能力。同时叶根平台之间采用成圈的销钉结构，相邻叶片在销钉的作用下相互夹紧，既起到定位作用，又能在工作时产生阻尼作用，确保叶片工作的安全性。本发明的叶根适用于多种转速和功率的工况范围，且与以前的设计相比能够适应承载能力要求更大的工况，有利于大面积使用推广。