汽轮机弯扭叶片设计与研发
汽轮机弯扭叶片设计与研发
摘 要：随着火力发电技术的日趋成熟，汽轮机叶片研发已成为科研的重要领域。
叶片是汽轮机的重要部分，其直接决定着汽轮机的工作效率、安全性等。
从弯扭变截面叶片出发，介绍了1000MW凝汽式汽轮机主要参数，汽轮机叶片设计的发展现状，分析了叶片设计的流程，并对其进行优化。
关键词：弯扭 叶片设计 变截面 汽轮机
随着中国电力行业的迅速发展，2011年中国累计发电量达到10.56亿千瓦，其中火电装机发电总量达到7.65亿千瓦，约占总容量的72.5%。
汽轮机是火电厂和核电厂的核心动力设备，其决定着发电效率和安全生产，如何提高汽轮机的安全性、稳定性、高效性一直是学者的研究方向。
叶片是汽轮机中使用最多的零件，被誉为汽轮机的“心脏”，其叶型、流线直接影响到发电效率，其强度直接影响到汽轮机的安全性。
叶片的制造工时占整个汽轮机的32%，制造工作量占整机的10%左右，成本占到了20%。
为提高汽轮机效率，往往采用扭曲的变截面叶片，其形状比等截面直叶片复杂，其造型方法一直是研究的.重点。
目前,国内投产的1000MW超超临界机组大部分采用德国SIEMENS技术，无调节级，采用全周进汽和过载气阀补气，从而减少了机组在额定工况下的节流损失。
空冷汽轮机采用单轴、四缸四排气、七级回热一次中间再热技术，与一般传统汽轮机的差别在低压缸，本文从气动性出发，对空冷汽轮机叶片开发进行了研究和展望。
1 1000MW凝汽式汽轮机主要参数
目前东方汽轮机厂生产的1000MW超超临界机组主要有凝汽式和空冷式。
空冷式汽轮机可用于变工况的情况下，相对于湿冷机组，空冷式要受到季节、地域、昼夜温差等影响，空冷式机组的背压较高并且变化范围较大，空冷式超超临界机组的工作温度较高、机组的功率、流量也明显较大，因此 对空冷机组叶片的安全性要求非常苛刻。
现有的末级叶片存在质量差，效率低，安全性不高的缺点。
表1给出了1000MW凝汽式汽轮机的主要参数。
2 弯扭叶片的设计开发
叶片是汽轮机的重要部件，其发展主要经历了直叶片、扭叶片、弯扭变截面叶片三个过程。
叶片的设计结构比较复杂，其叶型直接影响着通流部分的气动特性，而且工作过程中还受到离心力的作用和蒸汽的腐蚀。
如何提高叶片的气动特性和安全性一直是学者们研究的重点。
图1为汽轮机转子示意图。
2.1 发展现状
鉴于弯扭变截面叶片空间复杂、设计型式多样、效率偏低等缺点，近年来学者们对其参数的设计做了大量的研究。
综合学者们的研究方法，叶型模拟大都采用CAD、OpenGL、pro/E、SolidWorks等图形软件。
中国燃气涡轮研究院文生琼等人运用CAD对涡轮机叶片外型参数设计做了研究，完成了涡轮叶片从外到内的转化，并输出图形;哈尔滨工业大学于红英等人利用数据库和C语言，开发出基于UG平台的汽轮机叶片设计软件，提高了汽轮机叶片的设计效率;西安交通大学谢永慧等人利用CSG和B-erp开发了汽轮机参数化叶片造型系统，为将来实现有限元分析做了铺垫。
2.2 设计研发
考虑到叶片的强度和气动特性对其效率和安全性有着重要影响，设计时对于 的中长叶片一般采用弯扭变截面。
弯扭变截面叶片有很多不同高度的特征截面叶型，根据叶型沿叶高方向的变化形成一个完整的弯扭叶片，图2为设计弯扭变截面叶片的流程图。
叶片设计所需的初参数包括几何入口角�%[1j 、几何出口角�%[2j 、喉宽O2 、弦长B、有效出口角�%[0 、节距 f、截面积A、入口圆半径R1 、出口圆半径R1 、入口角�%O1、出口角�%O2 、转折角�%O和几何安装角�%[y 。
有了上述参数之后就可以对弯扭变截面叶片进行设计，其中最重要的就是根部截面、顶部截面、平均截面的设计。
由于受到强度、气动特性的影响，根部截面设计对叶片的安全性有着重要的作用，首现应该估计并确定根部的直径大小。
如果截面积较小时，应该加大出口角和叶片厚度，计算通流特性找到合适的截面积，当根部叶型满足要求时，过叶型的重心做出x轴和y轴，所有型线的重心都应落在以两个坐标轴为圆心、0.8mm为半径的圆内。
由于汽轮机末级叶片出口马赫数随着装机容量越来越大，所以对于Ma>1.4的叶片就可设计成缩放型，蒸汽在扩张段膨胀，相比无扩张的叶型其损失会减小。
由于叶片顶部截面轴向宽度很小，故其叶片厚度最好大于5mm。
一般把50%叶高处的截面称为平均截面，往往以平均截面的特征当成叶型的基本特征，故其也为重要截面。
确定了叶片根部和顶部叶型后，就可以对其进行线性插值得到大概的平均截面。
确定了根部、顶部、平均三个截面后，运用线性插值的方法就可以得到任意截面的型线。
确定了所有截面的型线后，使其沿径向叠在一起，这样就得到了一个完整的叶片。
2.3 叶片优化
为得到最高的气动效率，就应该选取合适的叶高和反动度。
当叶高增大时，排气的环形面积就会增大，余速损失减小。
但当叶高过大时，由于排气容积流量很小，就会产生脱流、回流等忙着就增大了摩擦损失和鼓风损失，所以选择一个经济叶高很重要。
当叶根反动度 0时，在动叶根部就会产生脱流现象，使级的效率大大降低，同时产生很大的振动，增大了厂房的噪声，严重时还会导致叶片折断造成重大事故。
由于反动度的大小和设计的叶型有关，故设计叶片时应选择适当的反动度，一般情况下取叶片根部反动度为0.2～0.3。
3 结束语
弯扭变截面叶片现在已成为大型电站汽轮机所运用的主要叶片。
研发出一种高效、高安全性的弯扭变截面叶片现在仍然是学者们的研究方向，本文只是这方面的有益探讨，希望对以后弯扭叶片技术的日趋成熟带来有益的帮助。
笔者相信，只要积极探索，电站设备的效率会越来越高。
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