空冷给水泵汽轮机末级动叶片 技术领域：
本发明涉及汽轮机的动叶片，具体是一种空冷给水泵汽轮机的末级动叶片。它特别适合用于功率1000MW超超临界机组的空冷汽轮机。
背景技术：
蒸汽轮机是火力发电厂三大主力设备之一，安装于汽轮机转轴上的动叶片是汽轮机中至关重要的关键部件，特别是末级动叶片的结构设计，因其涉及的技术面广、技术含量高而成为汽轮机的核心技术。汽轮机的容量越大、发电密度越高，要求其初参数越高，排汽环形面积越大，需要的末级叶片就越长，末级叶片越长，对叶片材料强度要求就越高，叶片的气动和振动设计就越难，因此，汽轮机末级长叶片的开发成为世界上各大汽轮机制造商关注的重点，也是其设计制造的难点，其水平代表了开发者的综合实力。
汽轮机作为一种动力装置，用作各种负载的驱动器，由于负载的恒速或调速运行状态不同，对汽轮机的性能要求也就不同，特别是叶片，运转速度变化时，所受的激振力不同，叶片的动应力须满足调速范围内的使用要求。
空冷汽轮机是一种特殊的蒸汽轮机，特殊性表现在：它经常处于高背压小容积流量工况运行，且背压变化范围大、变化频繁，这些运行条件极大地限制了末级叶片的设计。且空冷汽轮机的经济性与安全性在很大程度上与低压末级的热力、气动、强度、振动设计密切相关，其中尤以低压末级设计难度最大，必须统筹兼顾，进行繁杂的多因素约束条件下的方案优选，才能设计出高性能的末级叶片。目前，用于空冷1000MW超超临界火力发电机组上的给水泵汽轮机，我国尚不能生产，都是从国外引进，原因是我国尚未自主开发出空冷给水泵汽轮机的末级动叶片。
空冷给水泵汽轮机的运行工况是相当恶劣的，特别是末级动叶片不但要满足给水泵大范围的变转速运行特性要求，还要满足空冷汽轮机大范围变背压的工作特性要求。这些都对给水泵的末级动叶片设计提出了苛刻要求，因此末级动叶片的设计难度非常大，技术含量很高，目前有能力自行研制此类末级动叶片的厂商不多。
国外的给水泵汽轮机，其规格也有限，目前只有亚临界300MW等级、亚临界600MW等级和超临界600MW等级发电机组配套的给水泵汽轮机，为更高等级发电机组配套的给水泵汽轮机，仍然还是空白，见表1。
表1现有给水泵汽轮机及其末级动叶片对比
类别 给水泵汽轮机一 给水泵汽轮机二 给水泵汽轮机三 给水泵汽轮机四 应用范围 亚临界300MW 亚临界600MW 超临界600MW 冷凝1000MW 机组功率 3390W 8053W 9600W 14000W
类别 给水泵汽轮机一 给水泵汽轮机二 给水泵汽轮机三 给水泵汽轮机四 末级叶片长度 209.55mm 304.8mm 365mm 411mm 结构形式 带拉筋、无叶冠 带拉筋、无叶冠 无叶冠、有拉筋 有叶冠、无拉筋 排汽面积 0.6563×106mm2 1.046×106mm2 1.353×106mm2 1.702×106mm2 投运业绩 有 有 有 有
另外，现有的亚临界300MW等级、亚临界600MW等级和超临界600MW等级发电机组配套的给水泵汽轮机，其末级动叶片的特征参数各不相同，没有统一的设计规范，结构较落后，叶片的动应力高，机组经济性较差。
发明内容：
本发明提供一种结构合理、动应力低的空冷给水泵汽轮机末级动叶片，其结构要素不同于现有产品，其技术性能的主要指标达到或超过现有同类产品，整体综合性能优于现有同类产品，它特别适合用于1000MW超临界机组空冷汽轮机。
本发明是采用这样的技术方案实现的：
一种空冷给水泵汽轮机末级动叶片，具有整体构造的叶身、叶根和叶冠，所述叶身为变截面扭曲结构，叶身的宽度、厚度及横截面积由根部到顶部递减，平滑过渡，所述叶身是由若干特征截面按一特定规律迭合而成的异形体，所述特征截面的轮廓型线是由内弧曲线和背弧曲线围成的封闭曲线，具有特征参数：安装角c1、弦长b1、最大厚度w1、轴向宽度Xa、截面积A；截面的迭合规律是，沿叶高方向自根端向顶端，各截面连续光滑过渡；所述叶身有效高度为H＝365.0mm、根径为Dr＝906.8mm；叶高H的相对值由0.0单调增加到1.0；与之相对应，安装角的绝对值c1由81.830单调减小到13.670；从根截面到顶截面的弦长b1的相对值变化规律为：1.61≥b1≥1.0；从根截面到顶截面的最大厚度w1的相对值变化规律为：2.265≥w1≥1.0；从根截面到顶截面的轴向宽度Xa地相对值变化规律为：3.75≥Xa≥1.0；从根截面到顶截面的面积A的相对值变化规律为：4.58≥A≥1.0。
相关变量定义：
H-叶片的有效高度，即叶片的叶身部分的长度：叶身顶截面与叶身根截面之间的距离；
Dr-根径：叶片安装于转子后，叶身根截面所在圆的直径；
b1-弦长：叶身截面进、出汽边的距离；
c1-叶片安装角：弦长b1与Y向的夹角；
Xa-轴向宽度：叶身根截面轴向宽度；
w1-最大厚度：叶身截面切向宽度。
所述叶冠具有背弧阻尼工作面A1和内弧阻尼工作面B1，A1、B1是相互平行的平面；相邻叶片的叶冠内弧阻尼工作面B1和背弧阻尼工作面A1相互吻合，叶冠的形状具有特征参数：相邻叶片的吻合间隙S，相邻叶片的叶冠顶部节距P，所述相邻叶片间的间隙以及叶冠顶部节距满足下式：
350≤P/S。
所述叶根为枞树型叶根。
所述叶根为四齿直线形枞树型叶根。
所述叶片用不锈钢制成。
本发明的有益效果是：
采用上述结构的动叶片具有良好的动态性能，动应力小，阻尼特性好。用本动叶片(365mm)做成的空冷给水泵汽轮机时，其设计功率为16000W，调速范围在40.8Hz～110Hz之间，许用背压变化范围为7kPa～65kPa，完全符合使用要求。具有广阔的市场应用前景。
附图说明：
图1是本发明的一种结构示意图；
图2是图1的叶身截面示意图；
图3是图1的叶根结构示意图；
图4是图1的叶冠俯视结构示意图。
具体实施方式：
参见图1-图4：本发明采用不锈钢材料，按本专利设计制造成具有整体构造的叶身1、叶根2和叶冠3，叶身1、叶根2和叶冠3三部分是用同一种高强度性能不锈钢整体地制造完成。其中，叶身1叶身为变截面扭曲结构，叶身的宽度、厚度及横截面积由根部到顶部递减，平滑过渡。本动叶片通过叶根2安装在转轴外圆上的叶轮槽中，每圈轮槽安装70只叶片，当叶轮上一周的叶轮槽中均装上叶片后，就形成了给水泵汽轮机的末级。
本动叶片的设计载体选择超超临界空冷1000MW等级的汽轮机，该汽轮机的设计功率为16000W，调速范围在40.8Hz～110Hz之间，许用背压变化范围为7kPa～65kPa，在此设计背压范围内，最终方案确定的末级动叶片气道高为365.0mm，根径Dr(906.8mm)，其环形面积等于1.46m2。该给水泵汽轮机一共有6级，以此根径和叶高为基准设计完成了空冷汽轮机的通流，本设计以1000MW等级汽轮机的整缸低压通流为设计对象，给定低压进口压力、焓值、流量和背压，在保证低压子午流道光顺的前提下，优化各级的焓降、速比和级内反动度匹配。
在整缸通流优化匹配的基础上，末级级内可控涡流型设计是一项复杂的多次循环设计过程。首先设计基本的静、动叶基型型线，按可控涡流型设计的沿叶高出气角分布，设计静、动叶的空间成型规律，再用全三维流场计算分析来优化级内流场，并进一步调整静、动叶的空间成型规律，以气动最优为设计目标。
本动叶片叶身是由若干特征截面按一特定规律迭合而成的异形体，其有效高度(即叶片的叶身部分长度)H为365.0mm、根径(即叶片安装于转子后，其叶身根截面所在圆的直径，亦是转子轮缘的直径)Dr＝906.8mm；特征截面的轮廓型线是由内弧曲线和背弧曲线围成的封闭曲线，具有特征参数：安装角c1、弦长b1、最大厚度w1、轴向宽度Xa、截面积A。
本设计的相关变量定义：
H-叶片的有效高度，即叶片的叶身部分的长度：叶身顶截面与叶身根截面之间的距离。
Dr-根径：叶片安装于转子后，叶身根截面所在圆的直径。
b1-弦长：叶身截面进、出汽边的距离。
c1-叶片安装角：弦长b1与周向(Y向)的夹角。
Xa-轴向宽度：叶身根截面轴向宽度。
w1-最大厚度：叶身截面切向宽度。
S-相邻叶片的吻合间隙。
P-邻叶片的叶冠顶部节距。
(1)叶型设计，沿叶高若干个特征叶身截面的气动设计
采用专用的通流设计程序设计了本末级叶片沿叶高各截面的基本叶型要素及安装位置，沿叶高各基本叶型的特征是：气动特征为根部为亚音速叶型、中部为跨音速叶型、顶部为超音速叶型。基本叶型的横截面积沿高度单调减小，呈塔形变化，叶高H的相对值(叶片的某一截面高度与总的叶高值之比，本叶片高度为365mm，若当前叶片截面高度为146mm，则此时该截面高度的相对值为146/365＝0.4)由0.0单调增加到1.0；与之相对应，安装角c1的绝对值由81.830单调减小到13.670；从根截面到顶截面的弦长b1的相对值(顶截面为1.0)变化规律为：1.61≥b1≥1.0；从根截面到顶截面的最大厚度w1的相对值(顶截面为1.0)变化规律为：2.265≥w1≥1.0；从根截面到顶截面的轴向宽度Xa的相对值(顶截面为1.0)变化规律为：3.75≥Xa≥1.0；从根截面到顶截面的面积A的相对值(顶截面为1.0)变化规律为：4.58≥A≥1.0。
采用全三维气动分析程序分析并优化设计了各叶型截面沿叶高的成型规律，同时保证各典型截面之间的型面光滑连接，最终实现本叶片级流场特性的优化。
(2)大变形阻尼叶片的连接结构设计
由于在工作状态下，叶片中上部分的截面相对于静止状态时有较大的扭转变形，采用结构有限元分析方法优化设计了叶片的连接结构。设计了与叶身自成一体的围带(叶冠)结构，该叶冠具有背弧阻尼工作面A1和内弧阻尼工作面B1，A1、B1是相互平行的平面，叶冠厚度为H1(10mm＜H1＜15mm)，由于叶冠的特殊结构，静态时，相邻叶片的叶冠内弧阻尼工作面B1和背弧阻尼工作面A1相互吻合，叶冠的形状具有特征参数：相邻叶片的吻合间隙S，相邻叶片的叶冠顶部节距P，相邻叶片间的间隙以及叶冠顶部节距满足关系式：350≤P/S。
自带围带结构在气动方面阻止了叶顶的横向窜流和径向流，在转速增加到一定程度时，相邻叶片围带工作面之间发生接触，产生较大的压应力，在叶片工作时增加叶片刚性，使静态下的自由叶片在额定转速时较大地限制了叶顶的扭转恢复，形成整圈约束结构，大幅度降低叶片动应力。
(3)叶根设计
本动叶片的叶根为四齿直线形枞树型叶根，该结构使叶片与转子能够牢固、稳定的结合，且便于与转子装配，操作简便、快捷。