汽輪機(jī)小焓降預(yù)扭葉片設(shè)計裝配方法

(哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150046)

近年來，汽輪機(jī)技術(shù)不斷發(fā)展，為進(jìn)一步提高汽輪機(jī)通流效率，汽輪機(jī)制造商開始研制多級小焓降葉片[1-3]，以彌補(bǔ)大焓降葉片設(shè)計的不足。由于設(shè)計理念的不同，小焓降葉片的級數(shù)要遠(yuǎn)多于大焓降葉片。受汽輪機(jī)跨距所限，葉片寬度越來越窄，這也對強(qiáng)度提出了更高的要求。葉片的圍帶和中間體在運(yùn)行時既受離心力作用，同時還要受到不同材料熱膨脹系數(shù)等因素的影響。以往非預(yù)扭葉片在安裝到輪槽后運(yùn)行時，圍帶和葉片中間體將出現(xiàn)很小的間隙，此時葉片的強(qiáng)度和振動均發(fā)生變化[4]，再加之中等長度的葉片頻率特性復(fù)雜，導(dǎo)致強(qiáng)度振動特性偏離設(shè)計點(diǎn)。葉片采用預(yù)扭設(shè)計，有效形成整圈連接，能夠大大改善葉片振動特性，提高葉片安全裕度。國際先進(jìn)的汽輪機(jī)制造廠商GE、西門子、阿爾斯通等高參數(shù)大功率汽輪機(jī)葉片均采用預(yù)扭設(shè)計，部分國內(nèi)的汽輪機(jī)廠商也對預(yù)扭葉片的裝配進(jìn)行過一些研究[5-6]。哈汽公司在上世紀(jì)90年代就開展過預(yù)扭葉片的研究，目前已有大量機(jī)組應(yīng)用預(yù)扭葉片設(shè)計[7-9]。實踐證明，預(yù)扭葉片設(shè)計具有良好的安全性和經(jīng)濟(jì)性。下面本文就小焓降預(yù)扭葉片的設(shè)計裝配方法進(jìn)行詳細(xì)說明。

1 設(shè)計原理

近年來，哈汽公司開始廣泛采用反動式小焓降葉片，此種葉片由于單級焓降較小，葉型可以設(shè)計較窄一些，可以有效的減少二次流損失，而且由于葉型較窄，通流級數(shù)可以增多，重?zé)嵯禂?shù)高，可以進(jìn)一步提升機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性。但是采用小焓降葉片也對葉片設(shè)計增加了一定的難度，由于葉型較窄，葉片所受蒸汽彎應(yīng)力較大，對葉片的安全性有了更高的要求，經(jīng)過設(shè)計團(tuán)隊的多方面評估，決定對葉片采用預(yù)扭設(shè)計來解決這個問題。

常規(guī)的汽輪機(jī)葉片，在裝配時只是使兩只葉片簡單的貼合在一起，而所謂預(yù)扭葉片，就是在裝配時，對葉型部分及圍帶人為施加一個彈性扭轉(zhuǎn)，裝配后在葉型部分存在一定的應(yīng)力存在，使得機(jī)組在運(yùn)行時，如果相鄰葉片的圍帶之間出現(xiàn)間隙，葉型中存在的應(yīng)力會使得圍帶發(fā)生回彈，消除間隙，使得圍帶依然保持連接狀態(tài)。

常規(guī)的緊裝配葉片在設(shè)計時，通常相鄰兩只葉片的圍帶、葉根的徑向面為共面設(shè)計，圍帶節(jié)距尺寸均為標(biāo)準(zhǔn)節(jié)距，即t0=πD/Zd，D為圍帶外徑尺寸，Zd為整圈葉片只數(shù)。裝配后，圍帶葉根之間只是緊密接觸，整圈葉片的緊力來源僅為末葉片封口時的過盈量，由于整圈葉片只數(shù)較多，過盈量帶來的緊力只能傳遞到周圍數(shù)只葉片上，實際上，整圈絕大部分葉片之間緊力很小，甚至沒有緊力存在。汽輪機(jī)組在運(yùn)行時，由于葉片材質(zhì)的線膨脹系數(shù)一般較轉(zhuǎn)子材料要大一些，如此，葉片圍帶、葉根之間會出現(xiàn)一個較小的間隙，使葉片整圈連接的狀態(tài)發(fā)生改變，從而使葉片的振動特性發(fā)生改變，可能會影響葉片運(yùn)行的安全性。

預(yù)扭葉片通常采用平行四邊形的圍帶，葉片圍帶在裝配緊力的作用下，會形成一個扭矩，使葉片型線產(chǎn)生一個往安裝角轉(zhuǎn)大方向的彈性扭轉(zhuǎn)變形，這時，圍帶節(jié)距發(fā)生減小，見圖1所示，切向節(jié)距減小值為Δu=t*tan(β)Δφ，當(dāng)實際節(jié)距減小到理論節(jié)距后，帶有預(yù)扭量的葉片就可以裝入輪槽，從而完成預(yù)扭安裝[10]。這樣在實際運(yùn)行時，當(dāng)圍帶由于離心力和線脹出現(xiàn)松開狀態(tài)時，葉型會在彈性應(yīng)力的作用下自動回彈，使圍帶仍然保持整圈連接狀態(tài)，從而提高葉片連接剛度，減小動應(yīng)力。

2 葉片設(shè)計

2.1 預(yù)扭量設(shè)計

小焓降預(yù)扭葉片設(shè)計核心是圍繞預(yù)扭量的設(shè)計來展開，與常規(guī)葉片存在區(qū)別的是，葉片在完成預(yù)扭安裝后，葉型中會存在較大的扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)力，而小焓降葉片汽道較窄，所能承受的扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)力有限，同時，由于材料自身強(qiáng)度的限制，這個應(yīng)力應(yīng)當(dāng)控制在有限的、可接受的范圍內(nèi)，根據(jù)這個原則，制定出預(yù)扭量的計算方法。

首先，根據(jù)機(jī)組的運(yùn)行情況，葉片預(yù)扭量Δu在裝配運(yùn)行中有以下幾個過程，各過程的變化情況如下：

(A0)裝配狀態(tài)下為Δu0；

(A1)在第一次啟機(jī)過程中，葉片溫度上升比轉(zhuǎn)子快，由于膨脹的原因達(dá)到最大值Δu1；

(A2)在運(yùn)行5～10 h后，轉(zhuǎn)速達(dá)到3 000 rpm，葉片轉(zhuǎn)子溫度趨于一致，預(yù)扭量值減小為Δu2；

(A3)在繼續(xù)運(yùn)行后，高溫葉片材料逐漸發(fā)生應(yīng)力松弛，在運(yùn)行到100 000 h后，應(yīng)力松弛達(dá)到最大，預(yù)扭量值減小為Δu3；

(A4)在機(jī)組運(yùn)行100 000 h后停機(jī)過程中，葉片溫度下降比轉(zhuǎn)子快，預(yù)扭量值繼續(xù)減小為Δu4。

根據(jù)機(jī)組運(yùn)行過程，通過分析得知，葉片的臨界狀態(tài)在A1、A3、A4，三個階段。其中，A1階段葉片扭轉(zhuǎn)量最大，葉型中的扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)力最大，需要保證在該階段，葉片應(yīng)力不會超過材料的屈服限制；在A3階段，材料的應(yīng)力松弛達(dá)到最大，此時的預(yù)扭量Δu3處于一個較低的水平，需要保證在該階段圍帶之間的接觸力能夠達(dá)到設(shè)計要求；在A4階段，預(yù)扭量Δu4達(dá)到最低水平，在此時，要求圍帶之間的接觸力大于零。

由于A3、A4階段的考核主要由材料特性決定，A1階段主要由初始施加的預(yù)扭量決定，因此，先對A3、A4階段進(jìn)行考核，再計算能滿足A1階段的預(yù)扭量值，從而得出A0階段初始設(shè)計時應(yīng)施加的預(yù)扭量，制定計算流程如圖2。

按照上述流程，首先根據(jù)葉型的蒸汽彎應(yīng)力，計算出實現(xiàn)預(yù)扭所需的最小圍帶接觸力，然后可以計算出機(jī)組運(yùn)行100 000 h后材料在最大松弛狀態(tài)下的預(yù)扭量值Δu3以及此時的圍帶接觸力，此時，進(jìn)行第一次考核，如果圍帶接觸力不能滿足預(yù)扭實現(xiàn)的要求，需更換材料重新設(shè)計，如通過考核，可以繼續(xù)下一步計算(A3)；模擬機(jī)組在運(yùn)行100 000 h后的停機(jī)狀態(tài)，計算出此時的預(yù)扭量值Δu4以及圍帶接觸力，同樣考核接觸力是否滿足預(yù)扭所需的最小圍帶接觸力，如不合格，需更換材料重新設(shè)計，如通過考核進(jìn)行下一步計算(A3)；機(jī)組啟機(jī)時，葉型的扭轉(zhuǎn)剪切力達(dá)到最大，計算出此時所允許的扭轉(zhuǎn)剪切力及預(yù)扭量值Δu1(A1)；最后根據(jù)機(jī)組啟機(jī)過程中預(yù)扭量的變化量可以裝配狀態(tài)下所需要施加的預(yù)扭量Δu0(A0)。

2.2 結(jié)構(gòu)形式選擇

目前哈汽公司動葉片常用的葉根結(jié)構(gòu)有倒T型、樅樹型、菌型等，從設(shè)計原理上考慮，這幾種葉片形式均可以采用預(yù)扭設(shè)計。但是，從實際的生產(chǎn)難度及成本上考慮，樅樹型葉片及輪槽均需要使用專用的成型銑刀加工，加工周期長，且成本較為高昂，菌型葉片與倒T型較為類似，但是裝配時與輪槽配合的要求較高，裝配過程較為繁瑣；而相比之下，倒T型葉根葉片及輪槽加工較為簡單，裝配工藝較為成熟，因此決定選用倒T型葉根作為預(yù)扭葉片的葉根結(jié)構(gòu)。

圍帶采用平行四邊形的形式，見第1節(jié)所述，該結(jié)構(gòu)的圍帶斜角是達(dá)到預(yù)扭裝配的一個必要條件，除此以外，采用平行四邊形結(jié)構(gòu)，還有以下優(yōu)勢：(1)連接剛性好，頻率隨節(jié)徑數(shù)m增長較快，易避開低節(jié)徑共振[1]。(2)可以使加工過程更為簡單高效。(3)兩葉片圍帶之間僅有一個接觸面，裝配時間隙易于修配控制。由于葉片型線的不同，圍帶斜角的選擇不盡相同，根據(jù)長期的設(shè)計計算及裝配經(jīng)驗，圍帶斜角設(shè)計在20°～40°之間是一個較為合理的范圍。

2.3 結(jié)構(gòu)尺寸

小焓降預(yù)扭葉片的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計與常規(guī)葉片區(qū)別不大，最大的不同點(diǎn)在于預(yù)扭量的施加，當(dāng)確定了所施加的過盈量及結(jié)構(gòu)形式以后，核心部分的設(shè)計就已經(jīng)完成大半了，接下來只需要計算出葉片圍帶、中間體、葉根的節(jié)距尺寸tn=πDn/Zd，Dn為相應(yīng)位置的直徑，然后將需要施加的預(yù)扭量Δu0以過盈量的形式增加在圍帶節(jié)距尺寸中，見圖3，此時，葉片結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計就已經(jīng)完成了。

2.4 強(qiáng)度校核

小焓降葉片葉型部分較窄，葉片在預(yù)扭裝配后，由于預(yù)扭扭矩的影響，葉型部分會存在較大的剪應(yīng)力存在，會使葉型的部分位置存在較大的應(yīng)力，同時由于倒T型葉根的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，輪槽也會有局部位置存在應(yīng)力集中效應(yīng)，可能會威脅到機(jī)組運(yùn)行的安全性，因此需要使用有限元計算校核驗證葉片設(shè)計的合理性。

對于考核對象來說首先就是要保證材料不會因靜強(qiáng)度而失效。根據(jù)材料特性靜強(qiáng)度破壞分為兩種：直接失效與高溫蠕變斷裂。相應(yīng)的，考核也分為直接失效考核與蠕變斷裂考核兩種：

(1)直接失效考核(高、低溫)：

(2)蠕變斷裂考核(高溫)：

P表示一次應(yīng)力，Q表示二次應(yīng)力，[σ]為材料的許用應(yīng)力。

基于以上的考核原則，針對小焓降預(yù)扭葉片的特點(diǎn)，制定葉片及對應(yīng)輪槽的有限元計算考核區(qū)域如圖4所示。

圖4(葉片)：葉片平滑區(qū)域應(yīng)力考核；葉片應(yīng)力集中區(qū)域峰值應(yīng)力考核；葉片接觸區(qū)域接觸應(yīng)力考核。

圖4(輪槽)：輪緣截面平均應(yīng)力考核；應(yīng)力集中區(qū)域峰值應(yīng)力考核；接觸區(qū)域接觸壓力考核。

對有限元計算的結(jié)果，按照強(qiáng)度考核準(zhǔn)則進(jìn)行依次考核，保證葉片、輪槽強(qiáng)度能夠滿足設(shè)計要求。

3 裝配方法及要求

小焓降預(yù)扭葉片裝配的核心是使葉片在裝配中實現(xiàn)預(yù)扭，因此裝配工作也是圍繞預(yù)扭量展開，預(yù)扭是一種彈性變形狀態(tài)，在葉片裝配時，扭轉(zhuǎn)角是一個較小的角度，對其進(jìn)行直接測量是一件較困難的事情，因此，我們將預(yù)扭量轉(zhuǎn)換為裝配后的中間體、圍帶錯牙值，通過評估錯牙值的大小來判斷預(yù)扭量是否達(dá)到要求，圖5即為預(yù)扭量檢查示意圖。

在實際裝配過程，按以下流程進(jìn)行裝配：

(1)每級葉根槽有一個末葉片槽開口，先將每一級2/3的標(biāo)準(zhǔn)葉片通過末葉片槽滑入葉根槽中，再將末葉片放入末葉片槽進(jìn)行固定，如圖6(a)所示。

(2)然后將相鄰標(biāo)準(zhǔn)片靠在末葉上，裝入過盈的塞緊條使其頂緊葉片(如圖7所示)，然后使用標(biāo)準(zhǔn)片打緊，使其與末葉片緊密貼合，然后依次將數(shù)只葉片按同樣方法試裝打緊，如圖6(b)所示。由于預(yù)扭量的作用，兩只葉片圍帶會自然出現(xiàn)錯牙狀態(tài)，此時對圍帶預(yù)扭量進(jìn)行初步檢查，大致可以滿足要求后再進(jìn)行下序工作。

(3)按照(2)中的過程將葉根槽中剩余標(biāo)準(zhǔn)葉片裝配完畢，然后拔除末葉片，如圖6(c)所示。然后裝入剩余標(biāo)準(zhǔn)葉片，繼續(xù)按照(2)中過程裝配，如圖6(d)所示。

(4)將標(biāo)準(zhǔn)葉片裝配完畢后，將末葉片帶有一定過盈量打入，如圖6(e)所示。

(5)葉片裝配完成后檢查中間體、圍帶錯牙量值，通過與設(shè)計值比對來驗證預(yù)扭量是否達(dá)到設(shè)計要求，裝配過程完成。

4 結(jié) 論

(1)隨著近年來國家愈加提倡節(jié)能環(huán)保，汽輪機(jī)對效率的要求越來越高，采用多級小焓降預(yù)扭葉片是一種切實可行的解決方案。

(2)小焓降預(yù)扭葉片設(shè)計的關(guān)鍵在于預(yù)扭量的確定，本文通過對原理的分析，提出了預(yù)扭量的設(shè)計方法，并結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計、強(qiáng)度核算完成葉片設(shè)計，最后詳細(xì)介紹了此種葉片的詳細(xì)裝配過程及檢查方法，可以通過此方法快速簡便的完成葉片設(shè)計工作。

(3)哈汽公司已在多種型號的汽輪機(jī)產(chǎn)品上采用了小焓降預(yù)扭葉片，揭缸檢查時葉片狀態(tài)良好，也驗證了該方法設(shè)計葉片的可靠性。

(4)本文為汽輪機(jī)小焓降預(yù)扭葉片的設(shè)計提供了方法，并對后續(xù)的葉片設(shè)計及優(yōu)化提供了經(jīng)驗參考。