鄒建偉， 趙俊明

（哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱150046）

1017mm末級(jí)葉片的設(shè)計(jì)

鄒建偉， 趙俊明

（哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱150046）

1017mm葉片是HTC為巴西卡迪奧塔火電廠設(shè)計(jì)的350MW汽輪機(jī)末級(jí)的專用葉片。文中主要從氣動(dòng)、強(qiáng)度振動(dòng)性能介紹了1017mm末級(jí)長(zhǎng)葉片的設(shè)計(jì)特點(diǎn)和工作性能，表明1017mm末級(jí)長(zhǎng)葉片具有良好的氣動(dòng)性能和振動(dòng)性能，是安全、高效、性能良好的末級(jí)長(zhǎng)葉片。

末級(jí)葉片；氣動(dòng)設(shè)計(jì)

0 引言

國內(nèi)電力市場(chǎng)逐漸趨于飽和狀態(tài)，現(xiàn)在各個(gè)汽輪機(jī)生產(chǎn)廠家逐漸由國內(nèi)市場(chǎng)轉(zhuǎn)向國外市場(chǎng)。在這大環(huán)境下，哈汽公司承接了巴西卡迪奧塔火電廠二期擴(kuò)建的350MW汽輪機(jī)項(xiàng)目。巴西卡迪奧塔火電廠的350MW機(jī)組是哈汽首臺(tái)350MW-3 600 r/min出口機(jī)組，此機(jī)組的設(shè)計(jì)是全新的，特別是葉片的設(shè)計(jì)難度很大。60 Hz的運(yùn)行頻率使葉片的離心應(yīng)力大幅度增加，這給葉片的安全性設(shè)計(jì)帶來了嚴(yán)格的要求。特別是末級(jí)葉片的設(shè)計(jì)難度更大，不僅要保證葉片的安全性，還要考慮葉片的高效性。

1 葉片成型

圖1 1017mm末級(jí)葉片實(shí)體

1017mm末級(jí)葉片（如圖1所示）是以1 200 mm末級(jí)長(zhǎng)葉片為母型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的。由于工作轉(zhuǎn)速在3 600 r/min，其葉片離心力的大幅度增加，葉片的強(qiáng)度成為葉片設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，為保證葉片的高效性和安全性，動(dòng)葉設(shè)計(jì)成自帶圍帶、樅樹型斜葉根、凸臺(tái)拉筋結(jié)構(gòu)的扭葉片。

1.1 葉片氣動(dòng)設(shè)計(jì)

1017mm末級(jí)葉片是依據(jù)HTC長(zhǎng)葉片設(shè)計(jì)體系進(jìn)行設(shè)計(jì)，該體系經(jīng)過大量機(jī)組長(zhǎng)期運(yùn)行的驗(yàn)證，具有良好的氣動(dòng)性能和安全可靠的特點(diǎn)。

靜葉采用先進(jìn)的馬蹄形后加載葉型，并進(jìn)行彎扭聯(lián)合設(shè)計(jì)，動(dòng)葉片采用跨音速葉型，并且沿葉片高度進(jìn)行扭轉(zhuǎn)，這樣設(shè)計(jì)可以改善氣動(dòng)參數(shù)沿葉片高度的分布情況，減小徑向和端部二次流損失。

圖2 S2流面馬赫數(shù)分布

從圖2子午面馬赫數(shù)分布圖可以看出，靜葉片馬赫數(shù)為C型分布，這樣絕大部分高速汽流在主流動(dòng)內(nèi)流動(dòng)，上下端壁的低速汽流少，減少了端部損失，流場(chǎng)流線分布合理，汽流無分離。為保證機(jī)組在變工況下安全高效運(yùn)行，在設(shè)計(jì)時(shí)將末級(jí)根部反動(dòng)度提高，機(jī)組在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，葉片根部不會(huì)有倒流現(xiàn)象發(fā)生，保證了機(jī)組在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的安全性。

1.2 反動(dòng)度的控制

圖3 反動(dòng)度沿葉高分布

機(jī)組在變工況運(yùn)行時(shí)，特別是在低負(fù)荷工況運(yùn)行時(shí)，反動(dòng)度對(duì)末級(jí)的影響很大。當(dāng)機(jī)組變工況下運(yùn)行時(shí)，根部反動(dòng)度可能出現(xiàn)負(fù)值，這樣的情況下，動(dòng)葉根部的高速汽流將擠向頂部區(qū)域，動(dòng)葉根部區(qū)域有脫流、倒流現(xiàn)象發(fā)生，甚至?xí)l(fā)生顫振［1］，對(duì)機(jī)組安全性造成影響。因此，葉片根部設(shè)計(jì)成根部為26%左右，有利于葉片的變工況性能。葉片的反動(dòng)度沿葉高分布見圖3。

2 葉片結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度、振動(dòng)設(shè)計(jì)

1017mm末級(jí)葉片動(dòng)葉片設(shè)計(jì)采用先進(jìn)的結(jié)構(gòu)形式：葉片頂部采用翼型圍帶、葉片中部有凸臺(tái)拉筋結(jié)構(gòu)，葉片在工作時(shí)高速旋轉(zhuǎn)，葉片形成整圈連接，增加了葉片的強(qiáng)度、振動(dòng)性能，并且相鄰葉片的圍帶和凸臺(tái)拉筋通過摩擦阻力，有效地降低葉片的動(dòng)應(yīng)力。通過調(diào)整葉片的圍帶厚度進(jìn)行動(dòng)調(diào)頻，確保機(jī)組在運(yùn)行時(shí)，葉片頻率在安全范圍內(nèi)。

1017mm末級(jí)葉片采用新型的高強(qiáng)度樅樹型葉根。并且將葉根設(shè)計(jì)成與轉(zhuǎn)子中心呈一定角度，這樣可以把葉片根部截面包住，同時(shí)在裝配時(shí)避免與相鄰葉片的圍帶和凸臺(tái)拉筋發(fā)生干涉。

采用斜葉根既能保證將葉片根部型線包絡(luò)住，又避免在裝配時(shí)相鄰葉片之間的凸臺(tái)拉筋和圍帶發(fā)生干涉。

1017mm末級(jí)葉片在相對(duì)葉高0.62處加一道凸臺(tái)拉筋，拉筋采用橢圓錐型結(jié)構(gòu)；葉片頂部圍帶是以葉片頂部型線為基礎(chǔ)的翼型圍帶。葉片在非工作狀態(tài)下是相互獨(dú)立的，當(dāng)達(dá)到一定轉(zhuǎn)速時(shí)，葉片圍帶及凸臺(tái)拉筋緊密貼合形成一圈，大大降低了葉片的動(dòng)應(yīng)力和有效防止了顫振的發(fā)生，增加了葉片的安全性［2］。

葉片在工作時(shí)，不斷受汽流力作用，使葉片產(chǎn)生振動(dòng)，特別是當(dāng)激振力頻率跟葉片頻率相同而產(chǎn)生共振，而使葉片疲勞斷裂。為了保證葉片的安全性，1017mm末級(jí)動(dòng)葉片進(jìn)行了強(qiáng)度振動(dòng)分析，由圖4可以看出，1017mm末級(jí)葉片在3 420～3 780 r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)無三重共振點(diǎn)，葉片的工作頻率是安全的。

圖4 1017mm末級(jí)葉片坎貝爾圖

3 低壓末級(jí)葉片防侵蝕措施［3］

為了降低葉片被高速的濕蒸汽侵蝕，末級(jí)葉片在設(shè)計(jì)時(shí)采取了如下一些去濕和防侵蝕設(shè)計(jì)措施：

1）在低壓末級(jí)靜葉片內(nèi)弧表面開出專用的去濕槽把流道表面的水膜中的水分導(dǎo)走。末級(jí)靜葉去濕槽S1流面及三維流動(dòng)見圖5。

圖5 去濕槽流場(chǎng)分布圖

2）末級(jí)動(dòng)葉片鑲嵌司太立合金片，并且直通到圍帶頂部，這樣可以將高速的濕蒸汽形成的小水滴通過圍帶甩出去，有效地保護(hù)末級(jí)動(dòng)葉片。

4 結(jié)語

通過對(duì)350MW汽輪機(jī)末級(jí)1017mm葉片的氣動(dòng)設(shè)計(jì)，使動(dòng)、靜葉匹配合理，降低了動(dòng)、靜葉片的葉型損失，使1017mm葉片具有高效性；合理的反動(dòng)度設(shè)計(jì)，使1017mm葉片具有良好的變工況性能；樅樹形斜葉根、自帶圍帶、凸臺(tái)拉筋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，降低了葉片的動(dòng)應(yīng)力，確保葉片的長(zhǎng)期安全運(yùn)行；末級(jí)葉片防侵蝕措施保證了末級(jí)葉片的安全，同時(shí)降低了濕氣損失。

［1］ 周英.600MW等級(jí)二缸空冷汽輪機(jī)長(zhǎng)葉片開發(fā)［J］.熱力透平，2007（1）：41-44.

［2］ 趙俊明.空氣汽輪機(jī)末級(jí)680 mm葉片的開發(fā)［J］.汽輪機(jī)技術(shù)，2007（5）：338-342.

［3］ 鄒建偉.巴西350MW機(jī)組通流優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械工程師，2013（9）：191-192.

（編輯：立 明）

TK 26

B

1002－2333（2014）04－0235－02

鄒建偉（1980—），女，工程師，從事葉片設(shè)計(jì)工作。

2014-01-07