汽輪機彎扭葉片設計與研發
汽輪機彎扭葉片設計與研發
摘 要：隨著火力發電技術的日趨成熟，汽輪機葉片研發已成為科研的重要領域。
葉片是汽輪機的重要部分，其直接決定著汽輪機的工作效率、安全性等。
從彎扭變截面葉片出發，介紹了1000MW凝汽式汽輪機主要參數，汽輪機葉片設計的發展現狀，分析了葉片設計的流程，并對其進行優化。
關鍵詞：彎扭 葉片設計 變截面 汽輪機
隨著中國電力行業的迅速發展，2011年中國累計發電量達到10.56億千瓦，其中火電裝機發電總量達到7.65億千瓦，約占總容量的72.5%。
汽輪機是火電廠和核電廠的核心動力設備，其決定著發電效率和安全生產，如何提高汽輪機的安全性、穩定性、高效性一直是學者的研究方向。
葉片是汽輪機中使用最多的零件，被譽為汽輪機的“心臟”，其葉型、流線直接影響到發電效率，其強度直接影響到汽輪機的安全性。
葉片的制造工時占整個汽輪機的32%，制造工作量占整機的10%左右，成本占到了20%。
為提高汽輪機效率，往往采用扭曲的變截面葉片，其形狀比等截面直葉片復雜，其造型方法一直是研究的重點。
目前,國內投產的1000MW超超臨界機組大部分采用德國SIEMENS技術，無調節級，采用全周進汽和過載氣閥補氣，從而減少了機組在額定工況下的節流損失。
空冷汽輪機采用單軸、四缸四排氣、七級回熱一次中間再熱技術，與一般傳統汽輪機的差別在低壓缸，本文從氣動性出發，對空冷汽輪機葉片開發進行了研究和展望。
1 1000MW凝汽式汽輪機主要參數
目前東方汽輪機廠生產的1000MW超超臨界機組主要有凝汽式和空冷式。
空冷式汽輪機可用于變工況的情況下，相對于濕冷機組，空冷式要受到季節、地域、晝夜溫差等影響，空冷式機組的背壓較高并且變化范圍較大，空冷式超超臨界機組的工作溫度較高、機組的功率、流量也明顯較大，因此 對空冷機組葉片的安全性要求非常苛刻。
現有的末級葉片存在質量差，效率低，安全性不高的缺點。
表1給出了1000MW凝汽式汽輪機的主要參數。
2 彎扭葉片的設計開發
葉片是汽輪機的重要部件，其發展主要經歷了直葉片、扭葉片、彎扭變截面葉片三個過程。
葉片的設計結構比較復雜，其葉型直接影響著通流部分的氣動特性，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特性和安全性一直是學者們研究的重點。
圖1為汽輪機轉子示意圖。
2.1 發展現狀
鑒于彎扭變截面葉片空間復雜、設計型式多樣、效率偏低等缺點，近年來學者們對其參數的設計做了大量的研究。
綜合學者們的研究方法，葉型模擬大都采用CAD、OpenGL、pro/E、SolidWorks等圖形軟件。
中國燃氣渦輪研究院文生瓊等人運用CAD對渦輪機葉片外型參數設計做了研究，完成了渦輪葉片從外到內的轉化，并輸出圖形;哈爾濱工業大學于紅英等人利用數據庫和C語言，開發出基于UG平臺的汽輪機葉片設計軟件，提高了汽輪機葉片的設計效率;西安交通大學謝永慧等人利用CSG和B-erp開發了汽輪機參數化葉片造型系統，為將來實現有限元分析做了鋪墊。
2.2 設計研發
考慮到葉片的強度和氣動特性對其效率和安全性有著重要影響，設計時對于 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，根據葉型沿葉高方向的變化形成一個完整的彎扭葉片，圖2為設計彎扭變截面葉片的流程圖。
葉片設計所需的初參數包括幾何入口角�%[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 、轉折角�%O和幾何安裝角�%[y 。
有了上述參數之后就可以對彎扭變截面葉片進行設計，其中最重要的就是根部截面、頂部截面、平均截面的設計。
由于受到強度、氣動特性的影響，根部截面設計對葉片的安全性有著重要的作用，首現應該估計并確定根部的直徑大小。
如果截面積較小時，應該加大出口角和葉片厚度，計算通流特性找到合適的截面積，當根部葉型滿足要求時，過葉型的重心做出x軸和y軸，所有型線的重心都應落在以兩個坐標軸為圓心、0.8mm為半徑的圓內。
由于汽輪機末級葉片出口馬赫數隨著裝機容量越來越大，所以對于Ma>1.4的葉片就可設計成縮放型，蒸汽在擴張段膨脹，相比無擴張的葉型其損失會減小。
由于葉片頂部截面軸向寬度很小，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、平均三個截面后，運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，這樣就得到了一個完整的葉片。
2.3 葉片優化
為得到最高的氣動效率，就應該選取合適的葉高和反動度。
當葉高增大時，排氣的環形面積就會增大，余速損失減小。
但當葉高過大時，由于排氣容積流量很小，就會產生脫流、回流等忙著就增大了摩擦損失和鼓風損失，所以選擇一個經濟葉高很重要。
當葉根反動度 0時，在動葉根部就會產生脫流現象，使級的效率大大降低，同時產生很大的振動，增大了廠房的噪聲，嚴重時還會導致葉片折斷造成重大事故。
由于反動度的大小和設計的葉型有關，故設計葉片時應選擇適當的反動度，一般情況下取葉片根部反動度為0.2～0.3。
3 結束語
彎扭變截面葉片現在已成為大型電站汽輪機所運用的主要葉片。
研發出一種高效、高安全性的彎扭變截面葉片現在仍然是學者們的研究方向，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，電站設備的效率會越來越高。
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