一种汽轮机叶片拉筋孔结构及其松拉筋安装结构.pdf

本发明公开一种汽轮机叶片拉筋孔结构及其松拉筋安装结构，所述拉筋孔结构包括直圆环形凸台结构，所述直圆环形凸台结构位于汽轮机动叶片上；直圆环形凸台结构的轴线方向与汽轮机动叶片叶型横截面的法向相垂直且与叶轮切向平行；直圆环形凸台结构凸伸出叶片压力面侧和吸力面侧；直圆环形凸台结构中间设有拉筋孔，拉筋孔轴线方向与直圆环形凸台结构轴线方向一致；拉筋孔的两端边缘靠近叶片顶部一侧设有小凸台结构，两个小凸台结构之间的拉筋孔靠近叶片顶部一侧设有凹陷。本发明松拉筋与拉筋孔有两个接触点，有效的增强了松拉筋结构的减振能力；缩短了松拉筋悬空段的长度，降低了结构的应力水平，使得松拉筋可以采用阻尼效果较好的合金钢代替钛合金，可以在控制结构应力水平的同时增强结构的减振能力。

权利要求书一种汽轮机叶片拉筋孔结构，其特征在于，包括直圆环形凸台结构（1），所述直圆环形凸台结构（1）位于汽轮机动叶片上；直圆环形凸台结构（1）的轴线方向与汽轮机动叶片叶型横截面的法向相垂直且与叶轮切向平行；直圆环形凸台结构（1）凸伸出汽轮机动叶片压力面侧和吸力面侧；直圆环形凸台结构（1）中间设有拉筋孔（10），拉筋孔（10）轴线方向与直圆环形凸台结构（1）轴线方向一致；拉筋孔（10）的两端边缘靠近汽轮机动叶片顶部一侧设有小凸台结构（11），两个小凸台结构（11）之间的拉筋孔（10）靠近汽轮机动叶片顶部一侧表面设有凹陷（12）。
根据权利要求1所述的一种汽轮机叶片拉筋孔结构，其特征在于，直圆环形凸台结构（1）外表面与汽轮机动叶片压力面侧和吸力面侧交线处以圆角过渡。
根据权利要求1所述的一种汽轮机叶片拉筋孔结构，其特征在于，小凸台结构（11）沿拉筋孔（10）轴线方向的长度为1~2mm。
根据权利要求1所述的一种汽轮机叶片拉筋孔结构，其特征在于，拉筋孔（10）中小凸台结构（11）和凹陷（12）的加工方法为：先用钻头加工出拉筋孔（10），拉筋孔（10）半径为Rk；接着采用半径为Rt钻头沿着径向方向向上移动Δ，Δ=0.2~0.5mm，在拉筋孔（10）上表面侧把拉筋孔（10）扩大形成凹陷（12），Rt＜Rk；并在拉筋孔（10）两端边缘保留1~2mm未扩孔以形成小凸台结构（11）。
根据权利要求1所述的一种汽轮机叶片拉筋孔结构，其特征在于，所述直圆环形凸台结构（1）位于汽轮机动叶片65%~80%叶高处。
一种汽轮机叶片松拉筋安装结构，其特征在于，包括松拉筋（101）和权利要求1至5中任一项所述的汽轮机叶片拉筋孔结构；所述松拉筋（101）穿于所述拉筋孔（10）中；松拉筋（101）与拉筋孔（10）两端边缘的两个小凸台结构（11）接触。
根据权利要6所述的一种汽轮机叶片松拉筋安装结构，其特征在于，所述松拉筋（101）的材质为合金钢。

说明书一种汽轮机叶片拉筋孔结构及其松拉筋安装结构
技术领域
本发明涉及透平机械技术领域，特别涉及一种汽轮机叶片松拉筋安装结构。
背景技术
叶片在汽轮机中承担着将蒸汽热能转化为机械能的重要任务，是汽轮机中最重要的零部件之一，叶片主要由叶根、叶身和叶冠组成，部分叶片还具有拉筋结构。
汽轮机在运行过程中，转子上的叶片在脉动气流力的作用下所产生的振动应力是导致其高周疲劳失效的主要原因。松拉筋结构常被用于叶片的结构设计中来增加阻尼，提高动强度和降低动应力水平，从而提高叶片运行的安全可靠性。
如图1所示为某具有松拉筋结构的整圈叶片三维视图，叶片叶身部分开有拉筋孔，拉筋松装在叶片拉筋孔内，汽轮机运行时，拉筋产生的离心力使其与拉筋孔贴合，当叶片发生振动时，通过拉筋与拉筋孔间的摩擦力耗散振动能量，从而达到降低叶片振动水平的作用。
汽轮机实际运行经验表明，常规的松拉筋结构能够使叶片形成整圈连接，有效的增加整圈叶片的刚度和阻尼，抑制结构振动，但同时也存在一些缺陷和不足。一方面，常规的松拉筋结构由于叶片节距较大，常采用钛合金等密度小的金属来降低松拉筋的离心力引起的应力集中，来保证叶片拉筋孔强度要求，但钛合金的弹性模量相比合金钢低，其抑制叶片振动变形的能力相比合金钢低。同时，由于钛合金密度小，同等情况下离心力也小，所以相比合金钢阻尼效果要差一些；另一方面，传统松拉筋结构与叶片拉筋孔为单点接触，虽然能够抑制叶片的轴向振动和切向振动，但对于抑制叶片扭转振动的效果不好，且由于相邻叶片之间松拉筋跨距大，离心力引起的拉筋孔接触点应力较大。
发明内容
针对目前汽轮机叶片常规松拉筋结构的几点不足，本发明的目的是提供一种汽轮机叶片拉筋孔结构及其松拉筋安装结构，该拉筋结构具有加工简单、安装方便、与叶片拉筋孔多点接触、拉筋悬空段短、材料阻尼特性好并能够有效增强对叶片切向振动和扭转振动的抑制等优良特性，因此可以更加有效的降低叶片的振动水平，提高叶片的安全可靠性。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种汽轮机叶片拉筋孔结构，包括直圆环形凸台结构，所述直圆环形凸台结构位于汽轮机动叶片上；直圆环形凸台结构的轴线方向与汽轮机动叶片叶型横截面的法向相垂直且与叶轮切向平行，；直圆环形凸台结构凸伸出汽轮机动叶片压力面侧和吸力面侧；直圆环形凸台结构中间设有拉筋孔，拉筋孔方向与直圆环形凸台结构轴线方向一致；拉筋孔的两端边缘靠近汽轮机动叶片顶部一侧设有小凸台结构，两个小凸台结构之间的拉筋孔靠近汽轮机动叶片顶部一侧表面设有凹陷。
本发明进一步的改进在于：直圆环形凸台结构外表面与汽轮机动叶片压力面侧和吸力面侧交线处以圆角过渡。
本发明进一步的改进在于：小凸台结构沿拉筋孔轴线方向的长度为1~2mm。
本发明进一步的改进在于：拉筋孔中小凸台结构和凹陷的加工方法为：先用钻头加工出拉筋孔，拉筋孔半径为Rk；接着采用半径为Rt钻头沿着径向方向向上移动Δ，Δ=0.2~0.5mm，在拉筋孔上表面侧把拉筋孔扩大形成凹陷（12），Rt＜Rk；并在拉筋孔两端边缘保留1~2mm未扩孔以形成小凸台结构。
本发明进一步的改进在于：所述直圆环形凸台结构位于汽轮机动叶片65%~80%叶高处。
一种汽轮机叶片松拉筋安装结构，包括松拉筋和汽轮机叶片拉筋孔结构；所述松拉筋穿于所述拉筋孔中；松拉筋与拉筋孔两端边缘的两个小凸台结构相接触。
本发明进一步的改进在于：所述松拉筋的材质为合金钢。
本发明一种汽轮机叶片松拉筋安装结构，整圈安装的汽轮机动叶片呈放射状分布，在叶片约65%~80%叶高处加工有带凸台的拉筋孔。在叶片表面加工有圆环形凸台结构，凸台结构中心部位的直通孔即拉筋孔，拉筋孔边缘附近上表面侧具有小凸台结构。在实际安装过程中，圆环形松拉筋穿过叶片拉筋孔将整圈叶片连接起来，当动叶片在工作转速下旋转时，松拉筋在离心力的作用下和拉筋孔表面发生接触，其中每个叶片的拉筋孔和松拉筋有两个接触点，分别位于拉筋孔边缘附近上表面侧的小凸台上。
此松拉筋安装结构相比于常规的松拉筋结构，主要区别在于叶片表面具有凸台的拉筋孔结构，以及在拉筋孔边缘附近上表面侧的小凸台结构。通过布置该凸台结构，此松拉筋安装结构具有以下几个优点：
1、结构形状简单，加工方便。叶片上的凸台结构为等截面圆环形，凸台中心的拉筋孔为直通孔，并将拉筋孔靠近叶片顶部一侧表面稍微扩大，在拉筋孔边缘靠近叶片顶部一侧附近形成小凸台结构。
2、该松拉筋与拉筋孔有两个接触点，有效的增强了松拉筋结构的减振能力。
3、缩短了松拉筋悬空段的长度，有效的降低了结构的应力水平，使得松拉筋可以采用阻尼效果较好的合金钢代替常规使用的钛合金，从而可以在控制结构应力水平的同时增强结构的减振能力。
附图说明：
图1是具有整圈松拉筋结构叶片的三维视图；
图2a‑2c是带凸台拉筋孔结构的叶片三维视图；其中，图2a为叶片压力面侧示意图；图2b为叶片吸力面侧示意图；图2c为拉筋孔处剖面示意图；
图3a‑3d是带凸台的松拉筋安装结构示意图；其中，图3a为带凸台的松拉筋安装结构的三维示意图；图3b为拉筋与拉筋孔装配截面图；图3c为沿图3b中A‑A线的剖视图；图3d为沿图3c中B‑B线的剖视图；
图4a为本发明具有凸台的松拉筋安装结构接触点示意图；图4b为常规松拉筋安装结构接触点示意图；
图5a为本发明具有凸台的松拉筋安装结构悬空端的示意图；图5b为图5a中I部的局部放大图；图5c为常规松拉筋安装结构悬空端的示意图；图5d为图5c中II部的局部放大图。
具体实施方式：
参见图1，在汽轮机动叶片100约65%~80%叶高处加工有拉筋孔，横截面为圆形的环形松拉筋101穿过叶片拉筋孔，将叶片连接起来形成整圈结构。
参见图2a至图3d所示，本发明在叶型表面上加工有直圆环形凸台结构1，其轴线方向与叶型横截面的法向相垂直，并与叶轮切向平行，凸台结构1外表面与叶片压力面侧和吸力面侧交线处以圆角过渡，凸台结构1中间的直通孔即叶片的拉筋孔10，其轴线方向与凸台结构1轴线方向一致，在实际加工过程中，先用钻头加工出拉筋孔10，孔半径为Rk，接着采用半径为Rt钻头沿着径向方向向上移动Δ，Δ约为0.2~0.5mm，在拉筋孔10靠近叶片顶部一侧把拉筋孔10扩大形成凹陷12，小钻头对应的半径Rt小于Rk，并在拉筋孔10两端边缘附近（轴线方向长度约1~2mm）保留原来直径的一部分，这样在拉筋孔10两端边缘上表面侧形成小凸台结构11，松拉筋101在离心力的作用下与拉筋孔10两端边缘上表面侧的两个小凸台结构11相接触。
参见图4a和图4b，与常规松拉筋结构中松拉筋与拉筋孔仅在拉筋孔靠近叶片顶部一侧表面的中间区域有一个接触点D相比，在具有小凸台结构11的松拉筋安装结构中，松拉筋101与叶片拉筋孔10有两个接触点，分别位于拉筋孔10两端边缘靠近叶片顶部一侧的小凸台结构11上。
如图4a和图4b所示，在实际运行过程中，松拉筋与叶片拉筋孔有两个接触点，位于拉筋孔边缘靠近叶片顶部一侧的小凸台结构11处，而常规松拉筋与拉筋孔仅有一个接触点，位于拉筋孔靠近叶片顶部一侧表面的中间区域。因此采用本发明结构使接触点由一个增加到两个，一方面，增加了松拉筋和拉筋孔的接触面积，从而增大摩擦力，有效的增强了松拉筋结构的减振能力；另一方面，叶片的扭转振动是叶片振动中常见的振型，当拉筋和拉筋孔只有一个接触点时，不能产生扭转力矩来有效的抑制叶片的扭转振动，当在拉筋孔边缘凸台上产生两个接触点时，接触点所产生的沿轴向的摩擦力形成扭转力矩，从而能够有效的抑制叶片的扭转振动。
参见图5a至图5d所示，与常规松拉筋结构相比，在具有凸台结构1的松拉筋安装结构中，由于一个节距范围内的松拉筋101悬空段被一分为二，即松拉筋101悬空段长度明显减小，在材料及尺寸相同的情况下，使得松拉筋安装结构的应力水平明显降低。为了控制结构的应力水平，保障其安全可靠性，常规松拉筋结构往往采用密度较小的钛合金材料，但其阻尼效果不好，而在具有凸台结构1的松拉筋安装结构中，可以采用密度较大，但阻尼效果较好的合金钢代替钛合金，这样可以在控制结构应力水平的情况下提高结构的减振能力。
如图5a所示，在一个节距范围内，松拉筋的悬空段长度（即拉筋接触点间的跨距）分别为θ1R1和θ2R1，其中R1为松拉筋轴线的半径，θ1和θ2分别是相邻接触点间对应的圆周角度；如图5c所示，松拉筋悬空段长度为θtR1，其中θt为叶片节距对应的圆周角度，即θ1=θ1+θ2。由此可见，相比于常规松拉筋结构，本发明结构将松拉筋悬空段由一段分为两段，明显缩短了跨距，由材料力学中的相关理论可知，作用在松拉筋上的离心力可以看成沿其轴线方向分布的均布力载荷，一方面，拉筋孔接触点处的支反力与拉筋跨距成正比，即缩短跨距可以降低拉筋孔处受到的接触力载荷，从而降低拉筋孔应力集中部位的最大等效应力；另一方面，松拉筋横截面最大弯曲应力与跨距的二次方成正比，即缩短跨距可以明显的降低松拉筋截面的最大弯曲应力。常规松拉筋由于跨距较大，为了控制结构的应力水平，只能采用密度较小的钛合金材料，但钛合金由于弹性模量和密度较小（例如TA7合金在室温下弹性模量为112.8GPa），使得结构的阻尼系数较小，减振效果不好；而对于具有凸台的松拉筋安装结构，可以采用弹性模量较大的合金钢（例如1Cr13在室温下的弹性模量为217GPa）代替钛合金，增大结构的阻尼系数，另外，合金钢的密度虽然比钛合金大，使结构承受更大的离心力载荷，但由于此松拉筋跨距小，因此可以在控制结构应力水平的同时增强结构的减振能力。