应用于3000r／min钢制1200mm叶片的枞梃型叶根及轮槽结构

垂寺芘拾按LDONGFANGTURBLNEI1李银凤周显丁东方汽轮机有限公司，四川德阳，618000摘要介绍了一种应用于大功率汽轮机末级叶片上的枞树型叶根及轮槽结构，其承栽能力大于550T，解决了高离心力工作下叶根及轮槽的应力水平不超过材料的许用值。同时也给出了应用于3000RMINL制1200MM末级长叶片上的有限元接触应力分析结果。关键词枞树型叶根；铜制；1200MM；有限元ASTRUCTUREOFFIRNEEDLEROOTANDGROOVEAPPLIEDTOSTEELINESS1200MMBLADEON3000RMINLIYINFENG，ZHOUXIANDINGDONGNGTURBINECO，LTDDEYANGSICHUAN618000ABSTRACTTHEPAPERINTRODUCESTHESTRUCTUREOFFIRNEEDLEROOTANDGROOVEAPPLIEDTOLASTBLADEOFHIGHPOWERTURBINEWHICHCARRYINGCAPACITYEXCEEDS550T，ANDACHIEVESSTRUCTURESTRESSUNDERMATERIALLIMITTHEPAPERLISTSFEAANSYSRESULTOFSTEELINESS1200MMLASTBLADEON300ORMINKEYWORDSFIMEEDLEROOT，STEELINESS，1200MM，FINITEELEMENT0言0LL发电用汽轮机的新技术开发是以增大单机容量和提高机组热效率、提高经济性及可靠性为目标而进行的。从最大的单机容量机组发展情况看，增大单机容量的技术手段通常有两种，一是增加汽轮机的排汽口数目，二是增大末级排汽环形面积。增大末级排汽环形面积是通过增加叶片长度及安装直径来实现的，这样就会使叶片离心力显著增大，导致叶根与轮槽的应力水平非常高，给钢制叶根与轮槽的结构设计带来很大困难。图L表示了叶片不同长度在与之匹配的安装直径下的单只叶片的离心力水平，可以看出，随着叶片长度的增加，离心力也在增加，AF点是61LOOMMHT片在转速3000RMINH的离心力，约为70400T之间，这是现有公知的钢制叶根与轮槽结构形式所能承载的。但是，如图1中GA，对转速3000RMIN、叶片有效长度大于1200MM的钢制叶片，其离心力将大于550T，在采用世界公知的力学性能最好材料的情况下，现有的叶根与轮槽结构形式，其应力水平仍超过材料的许用值。作者简介李银风1968一，女，工学学士，高级工程师，从事汽轮机叶片设计。近四年以来，作为合著者之，已有四部专著出版发行。周显丁1966，男，工学学士，高级工程师，从事汽轮机叶片设计，已先后发表学术论文多篇。8L圣言汽扮拔IDONGFANGTURBLNE050607080QL0LLL2叶片鹱【II图1叶片长度与叶片离心力水平显然，解决问题的途径有两条，一是研发更高强度的新材料，但技术难度大，且产品的成本将大幅度增高；二是改进叶根与轮槽的结构要素，改善离心力在叶根和轮槽配合面上的分布状况，使其应力水平不超过材料的许用值。在这里，本文采用上述第二条途径，改进枞树型叶根及轮槽结构，显著提高叶片的承载能力。1枞树型叶根及轮槽结构研究R11枞树型叶根结构要素枞树型叶根与轮槽的结构要素包括叶根所在叶片的根部节距T；叶根楔角YR；叶根的有效高度YLLL；理论高度Y叶根顶端处的节距齿的工作面斜角；相邻两对齿工作面的距离；齿高D；齿的过渡圆角半径R；齿的对数N。枞树型叶根结构要素见图2。枞树型叶根与轮槽型线的匹配间隙见图3。图2枞树型叶根结构要素图3枞树型叶根与轮槽型线的匹配间隙12改善枞树型叶根及轮槽承载能力的措施研究结果表明，采用如下9条措施，能使枞树型叶根与轮槽的承载能力超过550T。1优化齿对数。齿的载荷分布的不均匀系数，与相互接触的齿的对数N有关。研究表明，齿对数选用N45的情况下，可解决枞树型叶根齿的载荷分布的不均匀性。叶根齿的载荷分布不均匀系数在合理的范围内，满足枞树型叶根与轮槽承载离心力大于550T的能力。2优化叶根楔角。分析了枞树型叶根的楔角Y对齿的作用力分布和根部连接的应力影响。计算和实验表明，楔角Y在一定范围内变化，对齿的作用力分布和根部连接的应力影响不大。3优化结构要素基本尺寸。变化各结构要素尺寸搭配关系，最后确定枞树型叶根各结构要素间的基本尺寸关系。4优化叶根齿高。根据枞树型叶根齿接触面的挤压应力条件，优化选择齿的高度D，使DD满足一定关系。5优化枞树型叶根齿的过渡圆角半径R。根据研究结果表明，过渡圆角半径R取合理值时，枞树型叶根齿拉伸或弯曲应力集中系数会降低2O25。6优化枞树型叶根齿的工作面倾角Y。根据研究结果表明，工作面倾角Y于3O。时，枞树型叶根齿弯曲应力能满足强度设计要求。7采用圆弧形叶根、圆弧半径R。优化枞树型叶根和轮槽相对于叶轮轴向的圆弧形状，见图4。圆弧半径R与叶轮轴向宽度BZ应满足一定关枷系。图4枞树型叶根与轮槽相对于叶轮轴向的形状8优化叶根轮槽型线。解决叶根与轮槽的配合问题，确定与叶根匹配的轮槽型线，见图3。枞树型叶根与轮槽型线的匹配间隙应在一范围内。9优化两条重心线匹配。优化叶片工作部分重心线相对于枞树型叶根重心线的位置关系，见图5。叶片工作部分重心线相对于叶根重心线在轴向方向的距离为D，在切向方向的距离为D；叶片的根部半径为RF1；其中DB应满足一定关系，DR应满足一定关系。IR，。DXI1RI币心线UV叶一1图5叶片工作部分重心线与枞树型叶根重心线的位置关系蜘滴嘲嘲螂睁霸3000RMIN钢制1200MM叶片应用于东汽600MW1200M超超临界火电机组，其整体结构为阻尼围带、凸台阻尼拉筋、四齿枞树型叶根。东汽采用大型非线性有限元分析软件，对该末级叶片进行了详细计算。计算结果证明采用该种枞树型叶根及轮槽结构，3000RMIN01200MM末级叶片满足了材料强度设计要求。索言浇鼢嵌IQDONGFANGTURBINEI、，21有限元计算模型叶片轮缘有限元计算模型一只叶片叶片考虑围带、拉筋及型线与叶根平台的过渡圆角、一个叶根和一个节距叶轮叶轮沿轮槽走向截取，转子中心位置去掉高度为40MM的尖角部分。满足叶根接触部分计算精度时，单元类型为六面体，划分单元数量为145万。计算模型见图6。接触部位放大视图由进汽侧向出汽侧看，左侧为内弧侧，右侧为背弧侧见图7。图6枞树型叶根及轮槽有限元计算模型图7枞树型叶根及轮槽接触部位放大图计算坐标系轴向为X正方向即由出汽侧指向进汽侧，叶身高度方向为Z方向，切向为Y方向即由内弧指向背弧，转子中心轴线经过坐标原点。边界条件轮槽及转子切面处施加法向约束；转子进汽侧端面施加轴向及圆周方向约束；转子中心位置完全约束。在叶根与轮槽接触中共建立8个接触对；从整圈模型计算结果中提取围带与拉筋位置部分节点的最终位置并建立刚性平面，围带、拉筋与刚性平面之间采用接触方式，建立4个接触对，接触摩擦系数均为01。整体模型施加3000RMIN转速；沿叶身高度方向施加轴向10J圣言乞粉揍IDONGFANGTURBINE与切向气动载荷。整体模型考虑几何非线性的影响。22有限元接触应力分析结果从有限元接触计算结果得知叶片离心力约为600T；叶根与轮缘接触应力大部分小于材料屈服强度，考虑材料塑性后，最大接触应力与材料屈服强度相当；叶根接触变形后最大位移值约为150RAM；轮槽接触变形后最大位移值约为120MM；轮槽或叶根的工作齿单元变形后，在平面内产生了一定的相对滑移量；叶根工作齿颈部截面最大MISES应力与平均拉应力比值约为293；轮槽工作齿颈部截面最大MISES应力与平均拉应力比值约为33；叶根与轮槽各工作齿所承受的载荷分配均匀，叶根与轮缘主体刚度比例适中，变形协调。图8为叶根工作齿圆角在轴向的应力集中分布情况。图中线条示例的顺序分别对应第1、2、3、4工作齿。LL，J溜东汽要闻埝乒富岛略童善图9为轮槽工作齿圆角在轴向的应力集中分布情况。图中线条示例的顺序分别对应第1、2、3、4工作齿。57L38LL900一41二、，H、，幺，L、一一一789L0O轴向相对距离图9轮槽内弧侧工作齿圆角的轴向应力曲线3结螭一曩0应用于3O00RMIN钢制1200ME叶片的枞树型叶根及轮槽结构，其承载能力可大于550T，实现了超高离心力工作下叶根及轮槽的应力水平不超过材料的许用值的目标。参考文献【1】吴厚钰透平零件结构和强度计算西安西安交通大学出版社2006【2】中国动力工程学会火力发电设备技术手册第二卷汽轮机北京机械工业出版社，199812【3J王勖成，邵敏有限元法基本原理和数值方法北京清华大学出版社，1997【4】尚晓江，等ANSYS结构高级分析方法与范例应用第二版北京中国水利水电出版社，2008东汽2MW风力发电机组投入试运行2010年8月23日，由东汽生产的变桨变速双馈恒频2MW风力发电机组，在河北建投新能源风能有限公司东辛营分公司风电场完成样机的调试，并网投入试运行，发电机组运行正常。东汽变桨变速双馈恒频2MW风力发电机组是基于现有的15MW成熟机型并借鉴25UW风机技术，独立自主开发成功的。该机组具有体积小、重量轻、功率大、安