汽輪機小焓降預扭葉片設計裝配方法

(哈爾濱汽輪機廠有限責任公司，黑龍江 哈爾濱 150046)

近年來，汽輪機技術不斷發展，為進一步提高汽輪機通流效率，汽輪機制造商開始研制多級小焓降葉片[1-3]，以彌補大焓降葉片設計的不足。由于設計理念的不同，小焓降葉片的級數要遠多于大焓降葉片。受汽輪機跨距所限，葉片寬度越來越窄，這也對強度提出了更高的要求。葉片的圍帶和中間體在運行時既受離心力作用，同時還要受到不同材料熱膨脹系數等因素的影響。以往非預扭葉片在安裝到輪槽后運行時，圍帶和葉片中間體將出現很小的間隙，此時葉片的強度和振動均發生變化[4]，再加之中等長度的葉片頻率特性復雜，導致強度振動特性偏離設計點。葉片采用預扭設計，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。國際先進的汽輪機制造廠商GE、西門子、阿爾斯通等高參數大功率汽輪機葉片均采用預扭設計，部分國內的汽輪機廠商也對預扭葉片的裝配進行過一些研究[5-6]。哈汽公司在上世紀90年代就開展過預扭葉片的研究，目前已有大量機組應用預扭葉片設計[7-9]。實踐證明，預扭葉片設計具有良好的安全性和經濟性。下面本文就小焓降預扭葉片的設計裝配方法進行詳細說明。

1 設計原理

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，通流級數可以增多，重熱系數高，可以進一步提升機組的經濟性。但是采用小焓降葉片也對葉片設計增加了一定的難度，由于葉型較窄，葉片所受蒸汽彎應力較大，對葉片的安全性有了更高的要求，經過設計團隊的多方面評估，決定對葉片采用預扭設計來解決這個問題。

常規的汽輪機葉片，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，裝配后在葉型部分存在一定的應力存在，使得機組在運行時，如果相鄰葉片的圍帶之間出現間隙，葉型中存在的應力會使得圍帶發生回彈，消除間隙，使得圍帶依然保持連接狀態。

常規的緊裝配葉片在設計時，通常相鄰兩只葉片的圍帶、葉根的徑向面為共面設計，圍帶節距尺寸均為標準節距，即t0=πD/Zd，D為圍帶外徑尺寸，Zd為整圈葉片只數。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，由于整圈葉片只數較多，過盈量帶來的緊力只能傳遞到周圍數只葉片上，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。汽輪機組在運行時，由于葉片材質的線膨脹系數一般較轉子材料要大一些，如此，葉片圍帶、葉根之間會出現一個較小的間隙，使葉片整圈連接的狀態發生改變，從而使葉片的振動特性發生改變，可能會影響葉片運行的安全性。

預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，使葉片型線產生一個往安裝角轉大方向的彈性扭轉變形，這時，圍帶節距發生減小，見圖1所示，切向節距減小值為Δu=t*tan(β)Δφ，當實際節距減小到理論節距后，帶有預扭量的葉片就可以裝入輪槽，從而完成預扭安裝[10]。這樣在實際運行時，當圍帶由于離心力和線脹出現松開狀態時，葉型會在彈性應力的作用下自動回彈，使圍帶仍然保持整圈連接狀態，從而提高葉片連接剛度，減小動應力。

2 葉片設計

2.1 預扭量設計

小焓降預扭葉片設計核心是圍繞預扭量的設計來展開，與常規葉片存在區別的是，葉片在完成預扭安裝后，葉型中會存在較大的扭轉剪切應力，而小焓降葉片汽道較窄，所能承受的扭轉剪切應力有限，同時，由于材料自身強度的限制，這個應力應當控制在有限的、可接受的范圍內，根據這個原則，制定出預扭量的計算方法。

首先，根據機組的運行情況，葉片預扭量Δu在裝配運行中有以下幾個過程，各過程的變化情況如下：

(A0)裝配狀態下為Δu0；

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

(A2)在運行5～10 h后，轉速達到3 000 rpm，葉片轉子溫度趨于一致，預扭量值減小為Δu2；

(A3)在繼續運行后，高溫葉片材料逐漸發生應力松弛，在運行到100 000 h后，應力松弛達到最大，預扭量值減小為Δu3；

(A4)在機組運行100 000 h后停機過程中，葉片溫度下降比轉子快，預扭量值繼續減小為Δu4。

根據機組運行過程，通過分析得知，葉片的臨界狀態在A1、A3、A4，三個階段。其中，A1階段葉片扭轉量最大，葉型中的扭轉剪切應力最大，需要保證在該階段，葉片應力不會超過材料的屈服限制；在A3階段，材料的應力松弛達到最大，此時的預扭量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到設計要求；在A4階段，預扭量Δu4達到最低水平，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扭量決定，因此，先對A3、A4階段進行考核，再計算能滿足A1階段的預扭量值，從而得出A0階段初始設計時應施加的預扭量，制定計算流程如圖2。

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

2.2 結構形式選擇

目前哈汽公司動葉片常用的葉根結構有倒T型、樅樹型、菌型等，從設計原理上考慮，這幾種葉片形式均可以采用預扭設計。但是，從實際的生產難度及成本上考慮，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型葉根作為預扭葉片的葉根結構。

圍帶采用平行四邊形的形式，見第1節所述，該結構的圍帶斜角是達到預扭裝配的一個必要條件，除此以外，采用平行四邊形結構，還有以下優勢：(1)連接剛性好，頻率隨節徑數m增長較快，易避開低節徑共振[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，根據長期的設計計算及裝配經驗，圍帶斜角設計在20°～40°之間是一個較為合理的范圍。

2.3 結構尺寸

小焓降預扭葉片的結構尺寸設計與常規葉片區別不大，最大的不同點在于預扭量的施加，當確定了所施加的過盈量及結構形式以后，核心部分的設計就已經完成大半了，接下來只需要計算出葉片圍帶、中間體、葉根的節距尺寸tn=πDn/Zd，Dn為相應位置的直徑，然后將需要施加的預扭量Δu0以過盈量的形式增加在圍帶節距尺寸中，見圖3，此時，葉片結構尺寸的設計就已經完成了。

2.4 強度校核

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

對于考核對象來說首先就是要保證材料不會因靜強度而失效。根據材料特性靜強度破壞分為兩種：直接失效與高溫蠕變斷裂。相應的，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表示一次應力，Q表示二次應力，[σ]為材料的許用應力。

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

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

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

對有限元計算的結果，按照強度考核準則進行依次考核，保證葉片、輪槽強度能夠滿足設計要求。

3 裝配方法及要求

小焓降預扭葉片裝配的核心是使葉片在裝配中實現預扭，因此裝配工作也是圍繞預扭量展開，預扭是一種彈性變形狀態，在葉片裝配時，扭轉角是一個較小的角度，對其進行直接測量是一件較困難的事情，因此，我們將預扭量轉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扭量是否達到要求，圖5即為預扭量檢查示意圖。

在實際裝配過程，按以下流程進行裝配：

(1)每級葉根槽有一個末葉片槽開口，先將每一級2/3的標準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行固定，如圖6(a)所示。

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

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

(4)將標準葉片裝配完畢后，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，通過與設計值比對來驗證預扭量是否達到設計要求，裝配過程完成。

4 結 論

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

(2)小焓降預扭葉片設計的關鍵在于預扭量的確定，本文通過對原理的分析，提出了預扭量的設計方法，并結合結構設計、強度核算完成葉片設計，最后詳細介紹了此種葉片的詳細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計工作。

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

(4)本文為汽輪機小焓降預扭葉片的設計提供了方法，并對后續的葉片設計及優化提供了經驗參考。