1017mm末級葉片的設(shè)計

鄒建偉， 趙俊明

（哈爾濱汽輪機廠有限責(zé)任公司，哈爾濱150046）

1017mm末級葉片的設(shè)計

鄒建偉， 趙俊明

（哈爾濱汽輪機廠有限責(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)計的350MW汽輪機末級的專用葉片。文中主要從氣動、強度振動性能介紹了1017mm末級長葉片的設(shè)計特點和工作性能，表明1017mm末級長葉片具有良好的氣動性能和振動性能，是安全、高效、性能良好的末級長葉片。

末級葉片；氣動設(shè)計

0 引言

國內(nèi)電力市場逐漸趨于飽和狀態(tài)，現(xiàn)在各個汽輪機生產(chǎn)廠家逐漸由國內(nèi)市場轉(zhuǎn)向國外市場。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建的350MW汽輪機項目。巴西卡迪奧塔火電廠的350MW機組是哈汽首臺350MW-3 600 r/min出口機組，此機組的設(shè)計是全新的，特別是葉片的設(shè)計難度很大。60 Hz的運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)計帶來了嚴格的要求。特別是末級葉片的設(shè)計難度更大，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末級葉片實體

1017mm末級葉片（如圖1所示）是以1 200 mm末級長葉片為母型進行優(yōu)化設(shè)計的。由于工作轉(zhuǎn)速在3 600 r/min，其葉片離心力的大幅度增加，葉片的強度成為葉片設(shè)計的難點，為保證葉片的高效性和安全性，動葉設(shè)計成自帶圍帶、樅樹型斜葉根、凸臺拉筋結(jié)構(gòu)的扭葉片。

1.1 葉片氣動設(shè)計

1017mm末級葉片是依據(jù)HTC長葉片設(shè)計體系進行設(shè)計，該體系經(jīng)過大量機組長期運行的驗證，具有良好的氣動性能和安全可靠的特點。

靜葉采用先進的馬蹄形后加載葉型，并進行彎扭聯(lián)合設(shè)計，動葉片采用跨音速葉型，并且沿葉片高度進行扭轉(zhuǎn)，這樣設(shè)計可以改善氣動參數(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內(nèi)流動，上下端壁的低速汽流少，減少了端部損失，流場流線分布合理，汽流無分離。為保證機組在變工況下安全高效運行，在設(shè)計時將末級根部反動度提高，機組在低負荷運行時，葉片根部不會有倒流現(xiàn)象發(fā)生，保證了機組在低負荷運行時的安全性。

1.2 反動度的控制

圖3 反動度沿葉高分布

機組在變工況運行時，特別是在低負荷工況運行時，反動度對末級的影響很大。當機組變工況下運行時，根部反動度可能出現(xiàn)負值，這樣的情況下，動葉根部的高速汽流將擠向頂部區(qū)域，動葉根部區(qū)域有脫流、倒流現(xiàn)象發(fā)生，甚至?xí)l(fā)生顫振［1］，對機組安全性造成影響。因此，葉片根部設(shè)計成根部為26%左右，有利于葉片的變工況性能。葉片的反動度沿葉高分布見圖3。

2 葉片結(jié)構(gòu)、強度、振動設(shè)計

1017mm末級葉片動葉片設(shè)計采用先進的結(jié)構(gòu)形式：葉片頂部采用翼型圍帶、葉片中部有凸臺拉筋結(jié)構(gòu)，葉片在工作時高速旋轉(zhuǎn)，葉片形成整圈連接，增加了葉片的強度、振動性能，并且相鄰葉片的圍帶和凸臺拉筋通過摩擦阻力，有效地降低葉片的動應(yīng)力。通過調(diào)整葉片的圍帶厚度進行動調(diào)頻，確保機組在運行時，葉片頻率在安全范圍內(nèi)。

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

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

1017mm末級葉片在相對葉高0.62處加一道凸臺拉筋，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)下是相互獨立的，當達到一定轉(zhuǎn)速時，葉片圍帶及凸臺拉筋緊密貼合形成一圈，大大降低了葉片的動應(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，不斷受汽流力作用，使葉片產(chǎn)生振動，特別是當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末級動葉片進行了強度振動分析，由圖4可以看出，1017mm末級葉片在3 420～3 780 r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)無三重共振點，葉片的工作頻率是安全的。

圖4 1017mm末級葉片坎貝爾圖

3 低壓末級葉片防侵蝕措施［3］

為了降低葉片被高速的濕蒸汽侵蝕，末級葉片在設(shè)計時采取了如下一些去濕和防侵蝕設(shè)計措施：

1）在低壓末級靜葉片內(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。末級靜葉去濕槽S1流面及三維流動見圖5。

圖5 去濕槽流場分布圖

2）末級動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，有效地保護末級動葉片。

4 結(jié)語

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

［1］ 周英.600MW等級二缸空冷汽輪機長葉片開發(fā)［J］.熱力透平，2007（1）：41-44.

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

［3］ 鄒建偉.巴西350MW機組通流優(yōu)化設(shè)計［J］.機械工程師，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)計工作。

2014-01-07