一种高转速工业汽轮机大扇度叶根及轮槽的制作方法

1.本发明涉及一种高转速工业汽轮机大扇度叶根及轮槽，属于汽轮机装置技术领域。


背景技术：

2.工业汽轮机受限于被驱动装置，通常转速较高、轮毂直径很小，给低压末级动叶片的结构设计带来极大困难，特别是承载能力大、应力集中程度低的叶根及轮槽型线的设计。
3.目前已知的国内外各工业汽轮机制造商制作的末级叶片主要采用叉形叶根或枞树形叶根。在叶根尺寸规格相当时，枞树形叶根具有更优的承载能力，但设计难度也是最大。从公开文献上了解到行业内已有的10000rpm等级以上的末级叶片系列极少，且叶片汽道高度都在8英寸及以下。
4.随着市场对能源利用率要求的提高，工业汽轮机将向高转速、更大单机功率发展，末级动叶的排汽面积需求加大，叶根及轮槽的应力水平也会升高。为此，从可靠性的角度出发，设计承载能力更大、应力集中程度较低、满足10000rpm及以上转速等级更长末级动叶强度需求的叶根及轮槽型线是亟需的。


技术实现要素：

5.本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种高转速工业汽轮机大扇度叶根及轮槽，可以降低叶根和轮槽型线中的应力集中、提升其承载能力，满足高转速末级动叶片的强度需求。
6.本发明采用的技术方案如下：
7.一种高转速工业汽轮机大扇度叶根，包括叶根本体，所述叶根本体的上部为叶根平台，所述叶根平台的下方设置有多对的对齿，所述对齿包括4对呈纵树形分布的第一对齿、第二对齿、第三对齿以及第四对齿，所述第一对齿与叶根平台下沿采用光滑曲线连接，所述第四对齿与叶根底部采用光滑曲线连接，所述对齿、第一对齿与叶根平台下沿的连接、第四对齿与叶根底部的连接均沿叶根中心对称。
8.进一步的，所述对齿的承载面倾角为45
°
，其承载面与非承载面之间的夹角为85
°
。
9.进一步的，所述对齿由上至下的宽度逐步变小，且其扇度包络角为29.5
°
。
10.进一步的，所述对齿具有相同的齿形高度da、齿形顶部过渡圆弧半径ra和齿形底部过渡圆弧半径rb，相邻齿形间距为db，且其比例关系满足da：db：ra：rb＝0.415：1.0：0.186：0.202。
11.进一步的，第一对齿与叶根平台下沿采用光滑曲线连接，其光滑曲线包括3段弧形曲线，分别为圆弧a、圆弧b以及圆弧c，其对应的圆弧曲率半径比例关系满足0.5：1.0：0.42。
12.进一步的，第四对齿与叶根底部采用光滑曲线连接，其光滑曲线包括3段弧形曲线，分别为圆弧d、圆弧e以及圆弧f，其对应的圆弧曲率半径比例关系满足0.36：1.0：0.509。
13.进一步的，所述叶根本体的宽度和有效高度的比例关系为0.596：1.0。
14.进一步的，控制圆弧d的圆心至叶根底部距离与第四对齿的工作面距离的比例关系满足小于0.6。
15.进一步的，所述叶根平台下沿的节距与叶根宽度之间的比例关系满足1.52－1.62。
16.一种叶根轮槽，与上述的一种高转速工业汽轮机大扇度叶根相匹配，包括轮槽本体，与叶根本体装配后，所述叶根本体与轮槽本体装配后其之间配合部位设置有间隙；
17.所述轮槽本体上部与叶根平台下沿的间隙为0.215－0.385mm，轮槽本体与各对齿的承载面的间隙为0－0.004mm，所述轮槽本体与第一对齿、第二对齿、第三对齿以及第四对齿的非承载面间隙为0.124－0.276mm，所述轮槽本体与第一对齿、第二对齿以及第三对齿的上过渡连接部位和下过渡连接部位的间隙分别为0.05－0.156mm、0.05－0.156mm，所述轮槽本体与第四对齿的过渡连接部位的间隙为0.10－0.21mm，所述轮槽本体底部与叶根底部的间隙为0.265－0.435mm。
18.综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
19.本发明的一种高转速工业汽轮机大扇度叶根及轮槽，通过改进设计叶根及轮槽的齿形布置、第一对齿与叶根平台下沿的连接曲线、第四对齿与叶根底部的连接曲线以及叶根型线的高宽比，使叶根与轮槽上的峰值应力集中程度下降27％~30％，使其应力载荷更趋于等强度分布、承载能力得以大幅提升，能够满足12000rpm转速等级、汽道高度9英寸等级末级叶片的叶根及轮槽强度需求。
附图说明
20.本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
21.图1是本发明叶根的结构示意图；
22.图2是本发明叶根与轮槽的装配示意图。
具体实施方式
23.本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
24.本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
25.实施例1一种高转速工业汽轮机大扇度叶根，如图1和图2所示， 包括叶根本体，所述叶根本体的上部为叶根平台，所述叶根平台的下方设置有多对的对齿，所述对齿包括4对呈纵树形分布的第一对齿、第二对齿、第三对齿以及第四对齿，所述第一对齿与叶根平台下沿采用光滑曲线连接，所述第四对齿与叶根底部采用光滑曲线连接，所述对齿、第一对齿与叶根平台下沿的连接、第四对齿与叶根底部的连接均沿叶根中心对称。
[0026][0027]
针对上述叶根的具体结构进一步的优化设计，在具体的设计中，所述对齿的承载面倾角α为45
°
，其承载面与非承载面之间的夹角β为85
°
。作为具体的结构参数的设计，为降
低叶根齿形承载面所承担载荷对齿形根部的影响，合理分配叶根齿形的弯曲应力和剪切应力关系。
[0028]
在上述具体的设计基础上，作为更加具体的设计，所述对齿由上至下的宽度逐步变小，且其扇度包络角θ为29.5
°
。可使叶根和轮槽在轮盘上沿半径方向的布置更合理，控制其应力沿径向趋于等强度分布；同时，因该扇度包络角度设计的较大，也能更有利于小轮毂直径转子轮槽的加工制作。
[0029]
以上数据作为绝对值的设计要求，针对上述具体的参数进行设计后，进一步优化相关高度、宽带的设计，在确定一定参数的相对值后，可对应的获取到相关参数的相对值。
[0030]
在上述具体设计的基础上，作为更加具体的设计，所述对齿具有相同的齿形高度da、齿形顶部过渡圆弧半径ra和齿形底部过渡圆弧半径rb，相邻齿形间距为db，且其比例关系满足da：db：ra：rb＝0.415：1.0：0.186：0.202。在具体的结构设计上，对齿的每一个齿的相关参数设计均相同，保证整体结构的一致性。通过上述比例关系的设计，可在承载面挤压应力满足许用值的基础上实现齿形根部的峰值应力集中系数下降30％。
[0031]
作为更进一步的设计，作为具体的优化设计，第一对齿与叶根平台下沿采用光滑曲线连接，其光滑曲线包括3段弧形曲线，分别为圆弧a、圆弧b以及圆弧c，其中，圆弧a的圆弧曲率半径为rn1，圆弧b的圆弧曲率半径为rn2，圆弧c的圆弧曲率半径为rn3，其对应的圆弧曲率半径比例关系满足rn1：rn2：rn3＝0.5：1.0：0.42。通过该比例关系的设计，可使该连接部位的峰值应力集中系数下降27％。
[0032]
基于上述具体的设计基础上，作为更加具体的设计，第四对齿与叶根底部采用光滑曲线连接，其光滑曲线包括3段弧形曲线，分别为圆弧d、圆弧e以及圆弧f，其中，圆弧d的圆弧曲率半径为rd1，圆弧e的圆弧曲率半径为rd2，圆弧f的圆弧曲率半径为rd3，其对应的圆弧曲率半径比例关系满足rd1：rd2：rd3＝0.36：1.0：0.509。通过盖比例关系的设计，可使该连接部位的峰值应力集中系数下降29％。
[0033]
作为更加具体的设计，为控制轮槽深度、降低轮槽底部承担之离心拉应力，所述叶根本体的宽度d0和有效高度h1的比例关系为d0：h1＝0.596：1.0。同时，在该设计的基础上，控制圆弧d的圆心至叶根底部距离h3与第四对齿的工作面距离d4的比例关系满足小于0.6，即，h3/d4＜0.6。以最大程度缩小轮槽底部深度，进一步降低轮槽的加工难度。
[0034]
同时，再进一步的设计，所述叶根平台下沿的节距t与叶根宽度d0之间的比例关系满足t/d0＝1.52－1.62。使叶根及轮槽在轮盘圆周面上的分布合理，解决了在不同叶片根径下叶根或轮槽单方面应力偏高的问题。
[0035]
在上述具体的设计中，作为更加具体的描述，在确定例如d0以及h1等相关参数的设计，在相关角的设计基础上，能够直接获取到其他的一些相关参数。
[0036]
结合上述具体参数的设计，在本实施例中所提供的叶根结构参数尺寸相对值如下：
[0037]
名称尺寸相对值叶根理论高度h08.495叶根有效高度h17.074齿形高度da0.588相邻齿形的工作面距离db1.417
叶根宽度d04.220第一对齿的工作面距离d13.640第二对齿的工作面距离d22.840第三对齿的工作面距离d32.040第四对齿的工作面距离d41.240齿形顶部过渡圆弧半径ra0.264齿形底部过渡圆弧半径rb0.286a段圆弧的半径rn10.500b段圆弧的半径rn21.000c段圆弧的半径rn30.420d段圆弧的半径rd10.396e段圆弧的半径rd21.100f段圆弧的半径rd30.560b段圆弧的圆心与叶根底部距离h26.359d段圆弧的圆心与叶根底部距离h30.709f段圆弧的圆心与叶根中心距离d50.217
[0038]
实施例2
[0039]
结合上述具体的设计，在具体的操作中，为了进一步的优化设计，作为匹配的，提供一种叶根轮槽，与实施例1的一种高转速工业汽轮机大扇度叶根相匹配，具体的，10、包括轮槽本体，与叶根本体装配后，所述叶根本体与轮槽本体装配后其之间配合部位设置有间隙；
[0040]
更加具体的，针对相关间隙进一步的设计，所述轮槽本体上部与叶根平台下沿的间隙g1为0.215－0.385mm，轮槽本体与各对齿的承载面的间隙g2为0－0.004mm，所述轮槽本体与第一对齿、第二对齿、第三对齿以及第四对齿的非承载面间隙g4为0.124－0.276mm，所述轮槽本体与第一对齿、第二对齿以及第三对齿的上过渡连接部位和下过渡连接部位的间隙分别为g3＝0.05－0.156mm、g5＝0.05－0.156mm，所述轮槽本体与第四对齿的过渡连接部位的间隙为g6＝0.10－0.21mm，所述轮槽本体底部与叶根底部的间隙为g7＝0.265－0.435mm。在上述具体的设计中，第一对齿、第二对齿以及第三对齿与轮槽的型线之间均存在间隙g3、g4、g5。该轮槽型线在结构上与上述叶根的结构参数匹配光顺，且叶根与轮槽之间各配合部位设置有合理的间隙范围，有效预防装配时过渡连接部位的局部卡涉造成的应力集中或承载面的接触不良，使叶根齿形承载均匀。
[0041]
综上所述，本发明的一种高转速工业汽轮机大扇度叶根及轮槽，通过改进设计叶根及轮槽的齿形布置、第一对齿与叶根平台下沿的连接曲线、第四对齿与叶根底部的连接曲线以及叶根型线的高宽比，使叶根与轮槽上的峰值应力集中程度下降27％~30％，使其应力载荷更趋于等强度分布、承载能力得以大幅提升，能够满足12000rpm转速等级、汽道高度9英寸等级末级叶片的叶根及轮槽强度需求。
[0042]
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

技术特征：
1.一种高转速工业汽轮机大扇度叶根，其特征在于：包括叶根本体，所述叶根本体的上部为叶根平台，所述叶根平台的下方设置有多对的对齿，所述对齿包括4对呈纵树形分布的第一对齿、第二对齿、第三对齿以及第四对齿，所述第一对齿与叶根平台下沿采用光滑曲线连接，所述第四对齿与叶根底部采用光滑曲线连接，所述对齿、第一对齿与叶根平台下沿的连接、第四对齿与叶根底部的连接均沿叶根中心对称。2.如权利要求1所述的一种高转速工业汽轮机大扇度叶根，其特征在于：所述对齿的承载面倾角为45
°
，其承载面与非承载面之间的夹角为85
°
。3.如权利要求2所述的一种高转速工业汽轮机大扇度叶根，其特征在于：所述对齿由上至下的宽度逐步变小，且其扇度包络角为29.5
°
。4.如权利要求1所述的一种高转速工业汽轮机大扇度叶根，其特征在于：所述对齿具有相同的齿形高度da、齿形顶部过渡圆弧半径ra和齿形底部过渡圆弧半径rb，相邻齿形间距为db，且其比例关系满足da：db：ra：rb＝0.415：1.0：0.186：0.202。5.如权利要求1所述的一种高转速工业汽轮机大扇度叶根，其特征在于：第一对齿与叶根平台下沿采用光滑曲线连接，其光滑曲线包括3段弧形曲线，分别为圆弧a、圆弧b以及圆弧c，其对应的圆弧曲率半径比例关系满足0.5：1.0：0.42。6.如权利要求1所述的一种高转速工业汽轮机大扇度叶根，其特征在于：第四对齿与叶根底部采用光滑曲线连接，其光滑曲线包括3段弧形曲线，分别为圆弧d、圆弧e以及圆弧f，其对应的圆弧曲率半径比例关系满足0.36：1.0：0.509。7.如权利要求6所述的一种高转速工业汽轮机大扇度叶根，其特征在于：所述叶根本体的宽度和有效高度的比例关系为0.596：1.0。8.如权利要求7所述的一种高转速工业汽轮机大扇度叶根，其特征在于：控制圆弧d的圆心至叶根底部距离与第四对齿的工作面距离的比例关系满足小于0.6。9.如权利要求1所述的一种高转速工业汽轮机大扇度叶根，其特征在于：所述叶根平台下沿的节距与叶根宽度之间的比例关系满足1.52－1.62。10.一种叶根轮槽，与权利要求1－9任一项所述的一种高转速工业汽轮机大扇度叶根相匹配，其特征在于：包括轮槽本体，与叶根本体装配后，所述叶根本体与轮槽本体装配后其之间配合部位设置有间隙；所述轮槽本体上部与叶根平台下沿的间隙为0.215－0.385mm，轮槽本体与各对齿的承载面的间隙为0－0.004mm，所述轮槽本体与第一对齿、第二对齿、第三对齿以及第四对齿的非承载面间隙为0.124－0.276mm，所述轮槽本体与第一对齿、第二对齿以及第三对齿的上过渡连接部位和下过渡连接部位的间隙分别为0.05－0.156mm、0.05－0.156mm，所述轮槽本体与第四对齿的过渡连接部位的间隙为0.10－0.21mm，所述轮槽本体底部与叶根底部的间隙为0.265－0.435mm。

技术总结
本发明公开了一种高转速工业汽轮机大扇度叶根及轮槽，属于汽轮机装置技术领域；该结构包括叶根本体，所述叶根本体的上部为叶根平台，所述叶根平台的下方设置有多对的对齿，所述对齿呈纵树形分布的第一对齿、第二对齿、第三对齿以及第四对齿，所述第一对齿与叶根平台下沿采用光滑曲线连接，所述第四对齿与叶根底部采用光滑曲线连接；本发明的相关参数设计能够使叶根与轮槽上的峰值应力集中程度下降27％－30％，使其应力载荷更趋于等强度分布、承载能力得以大幅提升，能够满足12000rpm转速等级、汽道高度9英寸等级末级叶片的叶根及轮槽强度需求。槽强度需求。槽强度需求。


技术研发人员：刘全 钱冬杰 陈乾林 尹刚 尹华劼 张鹏飞 陈铁宁 段艳雄 师春燕 李伟 楚涛 王东锋 杨嘉俊
受保护的技术使用者：东方电气集团东方汽轮机有限公司
技术研发日：2022.12.28
技术公布日：2023/6/27