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汽輪機(jī)彎扭葉片設(shè)計(jì)與研發(fā)
汽輪機(jī)彎扭葉片設(shè)計(jì)與研發(fā)
摘 要：隨著火力發(fā)電技術(shù)的日趨成熟，汽輪機(jī)葉片研發(fā)已成為科研的重要領(lǐng)域。
葉片是汽輪機(jī)的重要部分，其直接決定著汽輪機(jī)的工作效率、安全性等。
從彎扭變截面葉片出發(fā)，介紹了1000MW凝汽式汽輪機(jī)主要參數(shù)，汽輪機(jī)葉片設(shè)計(jì)的發(fā)展現(xiàn)狀，分析了葉片設(shè)計(jì)的流程，并對其進(jìn)行優(yōu)化。
關(guān)鍵詞：彎扭 葉片設(shè)計(jì) 變截面 汽輪機(jī)
隨著中國電力行業(yè)的迅速發(fā)展，2011年中國累計(jì)發(fā)電量達(dá)到10.56億千瓦，其中火電裝機(jī)發(fā)電總量達(dá)到7.65億千瓦，約占總?cè)萘康?2.5%。
汽輪機(jī)是火電廠和核電廠的核心動(dòng)力設(shè)備，其決定著發(fā)電效率和安全生產(chǎn)，如何提高汽輪機(jī)的安全性、穩(wěn)定性、高效性一直是學(xué)者的研究方向。
葉片是汽輪機(jī)中使用最多的零件，被譽(yù)為汽輪機(jī)的“心臟”，其葉型、流線直接影響到發(fā)電效率，其強(qiáng)度直接影響到汽輪機(jī)的安全性。
葉片的制造工時(shí)占整個(gè)汽輪機(jī)的32%，制造工作量占整機(jī)的10%左右，成本占到了20%。
為提高汽輪機(jī)效率，往往采用扭曲的變截面葉片，其形狀比等截面直葉片復(fù)雜，其造型方法一直是研究的重點(diǎn)。
目前,國內(nèi)投產(chǎn)的1000MW超超臨界機(jī)組大部分采用德國SIEMENS技術(shù)，無調(diào)節(jié)級，采用全周進(jìn)汽和過載氣閥補(bǔ)氣，從而減少了機(jī)組在額定工況下的節(jié)流損失。
空冷汽輪機(jī)采用單軸、四缸四排氣、七級回?zé)嵋淮沃虚g再熱技術(shù)，與一般傳統(tǒng)汽輪機(jī)的差別在低壓缸，本文從氣動(dòng)性出發(fā)，對空冷汽輪機(jī)葉片開發(fā)進(jìn)行了研究和展望。
1 1000MW凝汽式汽輪機(jī)主要參數(shù)
目前東方汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的1000MW超超臨界機(jī)組主要有凝汽式和空冷式。
空冷式汽輪機(jī)可用于變工況的情況下，相對于濕冷機(jī)組，空冷式要受到季節(jié)、地域、晝夜溫差等影響，空冷式機(jī)組的背壓較高并且變化范圍較大，空冷式超超臨界機(jī)組的工作溫度較高、機(jī)組的功率、流量也明顯較大，因此 對空冷機(jī)組葉片的安全性要求非�？量�。
現(xiàn)有的末級葉片存在質(zhì)量差，效率低，安全性不高的缺點(diǎn)。
表1給出了1000MW凝汽式汽輪機(jī)的主要參數(shù)。
2 彎扭葉片的設(shè)計(jì)開發(fā)
葉片是汽輪機(jī)的重要部件，其發(fā)展主要經(jīng)歷了直葉片、扭葉片、彎扭變截面葉片三個(gè)過程。
葉片的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，其葉型直接影響著通流部分的氣動(dòng)特性，而且工作過程中還受到離心力的作用和蒸汽的腐蝕。
如何提高葉片的氣動(dòng)特性和安全性一直是學(xué)者們研究的重點(diǎn)。
圖1為汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子示意圖。
2.1 發(fā)展現(xiàn)狀
鑒于彎扭變截面葉片空間復(fù)雜、設(shè)計(jì)型式多樣、效率偏低等缺點(diǎn)，近年來學(xué)者們對其參數(shù)的設(shè)計(jì)做了大量的研究。
綜合學(xué)者們的研究方法，葉型模擬大都采用CAD、OpenGL、pro/E、SolidWorks等圖形軟件。
中國燃?xì)鉁u輪研究院文生瓊等人運(yùn)用CAD對渦輪機(jī)葉片外型參數(shù)設(shè)計(jì)做了研究，完成了渦輪葉片從外到內(nèi)的轉(zhuǎn)化，并輸出圖形;哈爾濱工業(yè)大學(xué)于紅英等人利用數(shù)據(jù)庫和C語言，開發(fā)出基于UG平臺的汽輪機(jī)葉片設(shè)計(jì)軟件，提高了汽輪機(jī)葉片的設(shè)計(jì)效率;西安交通大學(xué)謝永慧等人利用CSG和B-erp開發(fā)了汽輪機(jī)參數(shù)化葉片造型系統(tǒng)，為將來實(shí)現(xiàn)有限元分析做了鋪墊。
2.2 設(shè)計(jì)研發(fā)
考慮到葉片的強(qiáng)度和氣動(dòng)特性對其效率和安全性有著重要影響，設(shè)計(jì)時(shí)對于 的中長葉片一般采用彎扭變截面。
彎扭變截面葉片有很多不同高度的特征截面葉型，根據(jù)葉型沿葉高方向的變化形成一個(gè)完整的彎扭葉片，圖2為設(shè)計(jì)彎扭變截面葉片的流程圖。
葉片設(shè)計(jì)所需的初參數(shù)包括幾何入口角�%[1j 、幾何出口角�%[2j 、喉寬O2 、弦長B、有效出口角�%[0 、節(jié)距 f、截面積A、入口圓半徑R1 、出口圓半徑R1 、入口角�%O1、出口角�%O2 、轉(zhuǎn)折角�%O和幾何安裝角�%[y 。
有了上述參數(shù)之后就可以對彎扭變截面葉片進(jìn)行設(shè)計(jì)，其中最重要的就是根部截面、頂部截面、平均截面的設(shè)計(jì)。
由于受到強(qiáng)度、氣動(dòng)特性的影響，根部截面設(shè)計(jì)對葉片的安全性有著重要的作用，首現(xiàn)應(yīng)該估計(jì)并確定根部的直徑大小。
如果截面積較小時(shí)，應(yīng)該加大出口角和葉片厚度，計(jì)算通流特性找到合適的截面積，當(dāng)根部葉型滿足要求時(shí)，過葉型的重心做出x軸和y軸，所有型線的重心都應(yīng)落在以兩個(gè)坐標(biāo)軸為圓心、0.8mm為半徑的圓內(nèi)。
由于汽輪機(jī)末級葉片出口馬赫數(shù)隨著裝機(jī)容量越來越大，所以對于Ma>1.4的葉片就可設(shè)計(jì)成縮放型，蒸汽在擴(kuò)張段膨脹，相比無擴(kuò)張的葉型其損失會減小。
由于葉片頂部截面軸向?qū)挾群苄�，故其葉片厚度最好大于5mm。
一般把50%葉高處的截面稱為平均截面，往往以平均截面的特征當(dāng)成葉型的基本特征，故其也為重要截面。
確定了葉片根部和頂部葉型后，就可以對其進(jìn)行線性插值得到大概的平均截面。
確定了根部、頂部、平均三個(gè)截面后，運(yùn)用線性插值的方法就可以得到任意截面的型線。
確定了所有截面的型線后，使其沿徑向疊在一起，這樣就得到了一個(gè)完整的葉片。
2.3 葉片優(yōu)化
為得到最高的氣動(dòng)效率，就應(yīng)該選取合適的葉高和反動(dòng)度。
當(dāng)葉高增大時(shí)，排氣的環(huán)形面積就會增大，余速損失減小。
但當(dāng)葉高過大時(shí)，由于排氣容積流量很小，就會產(chǎn)生脫流、回流等忙著就增大了摩擦損失和鼓風(fēng)損失，所以選擇一個(gè)經(jīng)濟(jì)葉高很重要。
當(dāng)葉根反動(dòng)度 0時(shí)，在動(dòng)葉根部就會產(chǎn)生脫流現(xiàn)象，使級的效率大大降低，同時(shí)產(chǎn)生很大的振動(dòng)，增大了廠房的噪聲，嚴(yán)重時(shí)還會導(dǎo)致葉片折斷造成重大事故。
由于反動(dòng)度的大小和設(shè)計(jì)的葉型有關(guān)，故設(shè)計(jì)葉片時(shí)應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)姆磩?dòng)度，一般情況下取葉片根部反動(dòng)度為0.2～0.3。
3 結(jié)束語
彎扭變截面葉片現(xiàn)在已成為大型電站汽輪機(jī)所運(yùn)用的主要葉片。
研發(fā)出一種高效、高安全性的彎扭變截面葉片現(xiàn)在仍然是學(xué)者們的研究方向，本文只是這方面的有益探討，希望對以后彎扭葉片技術(shù)的日趨成熟帶來有益的幫助。
筆者相信，只要積極探索，電站設(shè)備的效率會越來越高。
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