汽轮机叶片设计及型线修整方法的研究

汽轮机叶片设计及型线修整方法的研究

发表时间：2019-12-23T09:59:39.497Z 来源：《电力设备》2019年第17期作者：张立波

[导读] 摘要：叶轮是影响汽轮机工作效率的重要零器件，也是对汽轮机可靠性具有重要影响的器件。

（国电双辽发电有限公司吉林双辽 136400）

摘要：叶轮是影响汽轮机工作效率的重要零器件，也是对汽轮机可靠性具有重要影响的器件。随着经济社会的发展，汽轮机的数量越来越多，叶轮的形状更加复杂，对叶片的性能要求也越来越高。一些特殊叶片的加工技术难度大，传统的加工方式难以满足要求。对汽轮机叶片进行研究，可以提高汽轮机叶片制造技术的发展，促进新工艺的形成。基于此，本文主要对汽轮机叶片设计及型线修整方法进行分析探讨。

关键词：汽轮机；叶片设计；型线修整；方法研究

1、前言

所有叶片成型都必须同时考虑强度和气动两方面因素及它们之间的相互影响。叶片的气动、强度和振动性能取决于各特征截面叶型。而特征截面叶型的设计依赖于给定的初始参数。截面面积和最小惯性矩以及它们的径向分布是强度、振动计算的原始数据，由此决定了叶片的外形。

2、汽轮机叶片设计

2.1根部截面叶型设计

变截面的扭曲叶片的设计始于根部截面，所以这个截面对叶片设计是至关重要的，首先应仔细审核、确定根部截面半径，多数情况下，由于强度、气动性能要求，根部截面的设计是关键。若通道是收敛的，计算叶型和其它几何特性；若面积小，应增加叶型厚度，同时兼顾出口角O2/t，再用程序计算几何特性直至设计的面积符合要求，然后校核流道，计算汽道表面的速度分布，当根部截面叶型和汽道都达到要求时，找出叶型的重心，并通过此重心画x和y轴，所有的设计截面型线上的点以x、y轴为基准测量，而所有的设计截面型线重心都应落在x、y轴为圆心、半径为0.8mm的小圆内。上述过程完成了根部叶型的设计，接下来可进行顶部叶型的设计。

2.2顶部截面叶型设计

顶部截面叶型是在设计变截面叶片时另一个应注意的截面叶型，大功率汽轮机的末级叶片在顶部叶栅的特点是出口马赫数大，相对栅距大，折转角小。对于这类超音速叶型，当马赫数大于1.4时，可设计成缩放形通道，使汽流在扩张段内完成部分膨胀，膨胀波的强度比无扩张段的纯收敛形叶型减弱，损失减小。设计中仍旧需要进行强度和气动设计，顶部叶型需大于某最小面积，轴向宽度很窄、叶型细长，其最大厚度不要小于5mm。顶部叶型的流动控制区受到限制是因为最大节距和最大进口角都在顶部截面。对于一个好的叶型设计，两个相邻叶片的任何高度上进出边间应该有一些重叠。顶部叶型设计完成后，计算其几何特性，找出其重心位置，并将叶型放置于x、y轴，然后使x轴和y轴重合来叠合根部和顶部叶型。以上设计初步完成了根部叶型和顶部叶型的设计。若需对O2/t或面积分布调整，现在是最合适的时候。

2.3平均截面叶型设计

平均截面是指在出口边上50%叶高处的截面，是代表一个叶片基元级特征，要求有高效率。因此也是设计重点截面。首先用根部和顶部叶型线性插入一个大致的平均截面叶型，为满足平均截面的设计要求需做必要的调整直到达到收敛通道、要求的各初始参数和表面速度分布。平均截面的重心应该落在要求的小圆内，调整光顺进出口边。

3、型线修整方法

3.1精锻叶片的型线修整方法

对于精锻叶片型线，由于锻造余量比较小，叶身的偏移量给的比较小，所以对进气边和出气边的修整就显得尤为重要，它的修整方法也比较复杂。通过对叶片厂工程技术人员长期经验积累总结，有以下4种叶身型线修整方法。

3.1.1靠近叶根型面进气边型线的修整方法

图1为靠近叶根型面进气边型线修整方法示意图。

图1

靠近叶根部分，由于叶片扭曲翘起很高，为了防止出现倒勾影响出模，必须设置一定的拔模斜度，一般取为7°，具体修整过程如下：（1）作背弧13的偏移线1，距离1.5～3mm；

（2）作进气边小圆12的偏移线2，距离25～30mm；

（3）作进气边小圆12的偏移线3，距离5～8mm；

（4）作内弧偏移线的进气边的延伸线4；与线3相交；

（5）过线3和线4的交点作水平线5；

（6）作线5的偏移线6，距离2～5mm；（7）作线1的7°的相切线与线6相交于b点（背弧端点），过b点作垂线与线5相交于a（内弧端点）；（8）作背弧的45°切线8；

（9）以45°切线的切点为起始点，以7°线与线1的切点为终点作线性包络线9；（10）作线4、5的转接R3～R5。

3.1.2叶身中部型面进气边型线修整方法图2为叶身中部型面进气边型线的修整示意图。叶片叶身中部随着扭曲逐渐变得较为平坦，这个时候一般不需要考虑拔模的问题，修整过程也相应变得略为简单。但是要考虑叶身最大厚度在这个过程中的影响：当叶身最大厚度处于修整范围以内时，要考虑从最大厚度处进行修整，当最大厚度处于这个范围以外，则忽略它的影响。具体修整过程如下：

（1）作背弧13的偏移线1，距离1.5～3mm；（2）作内弧偏移线的进气边的延伸线4；与线3相交；（3）过线3和线4的交点作水平线5；（4）作线5的偏移线6，距离2～5mm；（5）作进气边小圆12的偏移线2，距离25～30mm；（6）作进气边小圆12的偏移线3，距离5～8mm；（7）过线6与线3的交点b作线1的切线，切线7与线1的切点作为修整线的终点；（8）过线2与背弧的交点或最大厚度圆与背弧的切点为起始点作线性包络线与线7相连；（9）作线4、5的转接R3～R5。

图2

3.1.3靠近叶冠型面进气边型线的修整方法图3为靠近叶冠型面进气边型线的修整方法示意图。

图3

具体修整方法如下：

（1）作背弧13的偏移线1，距离1.5～3mm；（2）作内弧偏移线的进气边的延伸线4；与线3相交；（3）过线3和线4的交点作水平线5；（4）作线5的偏移线6，距离2～5mm；（5）作进气边小圆12的偏移线2，距离25～30mm；（6）作进气边小圆12的偏移线3，距离5～8mm；（7）线3与线6的交点在a点的里端（即坐标x值较小）时，过a点作铅垂线，与6线交于b点，该b点为背弧端点；（8）过进气边小圆的外切点，作线1的垂线，得到e点；（9）作到（8）垂线的距离为3～4mm的平行线，与线1相交，得到交点f；（10）型线的最大厚度处在修整圆2范围内时，背弧修整线起始点在最大厚度处，作线性偏移线9，连接e点和f点。

3.1.4型面出气边型线的修整方法

图4为型线出气边的修整方法示意图，