汽轮机小焓降预扭叶片设计装配方法

(哈尔滨汽轮机厂有限责任公司，黑龙江 哈尔滨 150046)

近年来，汽轮机技术不断发展，为进一步提高汽轮机通流效率，汽轮机制造商开始研制多级小焓降叶片[1-3]，以弥补大焓降叶片设计的不足。由于设计理念的不同，小焓降叶片的级数要远多于大焓降叶片。受汽轮机跨距所限，叶片宽度越来越窄，这也对强度提出了更高的要求。叶片的围带和中间体在运行时既受离心力作用，同时还要受到不同材料热膨胀系数等因素的影响。以往非预扭叶片在安装到轮槽后运行时，围带和叶片中间体将出现很小的间隙，此时叶片的强度和振动均发生变化[4]，再加之中等长度的叶片频率特性复杂，导致强度振动特性偏离设计点。叶片采用预扭设计，有效形成整圈连接，能够大大改善叶片振动特性，提高叶片安全裕度。国际先进的汽轮机制造厂商GE、西门子、阿尔斯通等高参数大功率汽轮机叶片均采用预扭设计，部分国内的汽轮机厂商也对预扭叶片的装配进行过一些研究[5-6]。哈汽公司在上世纪90年代就开展过预扭叶片的研究，目前已有大量机组应用预扭叶片设计[7-9]。实践证明，预扭叶片设计具有良好的安全性和经济性。下面本文就小焓降预扭叶片的设计装配方法进行详细说明。

1 设计原理

近年来，哈汽公司开始广泛采用反动式小焓降叶片，此种叶片由于单级焓降较小，叶型可以设计较窄一些，可以有效的减少二次流损失，而且由于叶型较窄，通流级数可以增多，重热系数高，可以进一步提升机组的经济性。但是采用小焓降叶片也对叶片设计增加了一定的难度，由于叶型较窄，叶片所受蒸汽弯应力较大，对叶片的安全性有了更高的要求，经过设计团队的多方面评估，决定对叶片采用预扭设计来解决这个问题。

常规的汽轮机叶片，在装配时只是使两只叶片简单的贴合在一起，而所谓预扭叶片，就是在装配时，对叶型部分及围带人为施加一个弹性扭转，装配后在叶型部分存在一定的应力存在，使得机组在运行时，如果相邻叶片的围带之间出现间隙，叶型中存在的应力会使得围带发生回弹，消除间隙，使得围带依然保持连接状态。

常规的紧装配叶片在设计时，通常相邻两只叶片的围带、叶根的径向面为共面设计，围带节距尺寸均为标准节距，即t0=πD/Zd，D为围带外径尺寸，Zd为整圈叶片只数。装配后，围带叶根之间只是紧密接触，整圈叶片的紧力来源仅为末叶片封口时的过盈量，由于整圈叶片只数较多，过盈量带来的紧力只能传递到周围数只叶片上，实际上，整圈绝大部分叶片之间紧力很小，甚至没有紧力存在。汽轮机组在运行时，由于叶片材质的线膨胀系数一般较转子材料要大一些，如此，叶片围带、叶根之间会出现一个较小的间隙，使叶片整圈连接的状态发生改变，从而使叶片的振动特性发生改变，可能会影响叶片运行的安全性。

预扭叶片通常采用平行四边形的围带，叶片围带在装配紧力的作用下，会形成一个扭矩，使叶片型线产生一个往安装角转大方向的弹性扭转变形，这时，围带节距发生减小，见图1所示，切向节距减小值为Δu=t*tan(β)Δφ，当实际节距减小到理论节距后，带有预扭量的叶片就可以装入轮槽，从而完成预扭安装[10]。这样在实际运行时，当围带由于离心力和线胀出现松开状态时，叶型会在弹性应力的作用下自动回弹，使围带仍然保持整圈连接状态，从而提高叶片连接刚度，减小动应力。

2 叶片设计

2.1 预扭量设计

小焓降预扭叶片设计核心是围绕预扭量的设计来展开，与常规叶片存在区别的是，叶片在完成预扭安装后，叶型中会存在较大的扭转剪切应力，而小焓降叶片汽道较窄，所能承受的扭转剪切应力有限，同时，由于材料自身强度的限制，这个应力应当控制在有限的、可接受的范围内，根据这个原则，制定出预扭量的计算方法。

首先，根据机组的运行情况，叶片预扭量Δu在装配运行中有以下几个过程，各过程的变化情况如下：

(A0)装配状态下为Δu0；

(A1)在第一次启机过程中，叶片温度上升比转子快，由于膨胀的原因达到最大值Δu1；

(A2)在运行5～10 h后，转速达到3 000 rpm，叶片转子温度趋于一致，预扭量值减小为Δu2；

(A3)在继续运行后，高温叶片材料逐渐发生应力松弛，在运行到100 000 h后，应力松弛达到最大，预扭量值减小为Δu3；

(A4)在机组运行100 000 h后停机过程中，叶片温度下降比转子快，预扭量值继续减小为Δu4。

根据机组运行过程，通过分析得知，叶片的临界状态在A1、A3、A4，三个阶段。其中，A1阶段叶片扭转量最大，叶型中的扭转剪切应力最大，需要保证在该阶段，叶片应力不会超过材料的屈服限制；在A3阶段，材料的应力松弛达到最大，此时的预扭量Δu3处于一个较低的水平，需要保证在该阶段围带之间的接触力能够达到设计要求；在A4阶段，预扭量Δu4达到最低水平，在此时，要求围带之间的接触力大于零。

由于A3、A4阶段的考核主要由材料特性决定，A1阶段主要由初始施加的预扭量决定，因此，先对A3、A4阶段进行考核，再计算能满足A1阶段的预扭量值，从而得出A0阶段初始设计时应施加的预扭量，制定计算流程如图2。

按照上述流程，首先根据叶型的蒸汽弯应力，计算出实现预扭所需的最小围带接触力，然后可以计算出机组运行100 000 h后材料在最大松弛状态下的预扭量值Δu3以及此时的围带接触力，此时，进行第一次考核，如果围带接触力不能满足预扭实现的要求，需更换材料重新设计，如通过考核，可以继续下一步计算(A3)；模拟机组在运行100 000 h后的停机状态，计算出此时的预扭量值Δu4以及围带接触力，同样考核接触力是否满足预扭所需的最小围带接触力，如不合格，需更换材料重新设计，如通过考核进行下一步计算(A3)；机组启机时，叶型的扭转剪切力达到最大，计算出此时所允许的扭转剪切力及预扭量值Δu1(A1)；最后根据机组启机过程中预扭量的变化量可以装配状态下所需要施加的预扭量Δu0(A0)。

2.2 结构形式选择

目前哈汽公司动叶片常用的叶根结构有倒T型、枞树型、菌型等，从设计原理上考虑，这几种叶片形式均可以采用预扭设计。但是，从实际的生产难度及成本上考虑，枞树型叶片及轮槽均需要使用专用的成型铣刀加工，加工周期长，且成本较为高昂，菌型叶片与倒T型较为类似，但是装配时与轮槽配合的要求较高，装配过程较为繁琐；而相比之下，倒T型叶根叶片及轮槽加工较为简单，装配工艺较为成熟，因此决定选用倒T型叶根作为预扭叶片的叶根结构。

围带采用平行四边形的形式，见第1节所述，该结构的围带斜角是达到预扭装配的一个必要条件，除此以外，采用平行四边形结构，还有以下优势：(1)连接刚性好，频率随节径数m增长较快，易避开低节径共振[1]。(2)可以使加工过程更为简单高效。(3)两叶片围带之间仅有一个接触面，装配时间隙易于修配控制。由于叶片型线的不同，围带斜角的选择不尽相同，根据长期的设计计算及装配经验，围带斜角设计在20°～40°之间是一个较为合理的范围。

2.3 结构尺寸

小焓降预扭叶片的结构尺寸设计与常规叶片区别不大，最大的不同点在于预扭量的施加，当确定了所施加的过盈量及结构形式以后，核心部分的设计就已经完成大半了，接下来只需要计算出叶片围带、中间体、叶根的节距尺寸tn=πDn/Zd，Dn为相应位置的直径，然后将需要施加的预扭量Δu0以过盈量的形式增加在围带节距尺寸中，见图3，此时，叶片结构尺寸的设计就已经完成了。

2.4 强度校核

小焓降叶片叶型部分较窄，叶片在预扭装配后，由于预扭扭矩的影响，叶型部分会存在较大的剪应力存在，会使叶型的部分位置存在较大的应力，同时由于倒T型叶根的结构特点，轮槽也会有局部位置存在应力集中效应，可能会威胁到机组运行的安全性，因此需要使用有限元计算校核验证叶片设计的合理性。

对于考核对象来说首先就是要保证材料不会因静强度而失效。根据材料特性静强度破坏分为两种：直接失效与高温蠕变断裂。相应的，考核也分为直接失效考核与蠕变断裂考核两种：

(1)直接失效考核(高、低温)：

(2)蠕变断裂考核(高温)：

P表示一次应力，Q表示二次应力，[σ]为材料的许用应力。

基于以上的考核原则，针对小焓降预扭叶片的特点，制定叶片及对应轮槽的有限元计算考核区域如图4所示。

图4(叶片)：叶片平滑区域应力考核；叶片应力集中区域峰值应力考核；叶片接触区域接触应力考核。

图4(轮槽)：轮缘截面平均应力考核；应力集中区域峰值应力考核；接触区域接触压力考核。

对有限元计算的结果，按照强度考核准则进行依次考核，保证叶片、轮槽强度能够满足设计要求。

3 装配方法及要求

小焓降预扭叶片装配的核心是使叶片在装配中实现预扭，因此装配工作也是围绕预扭量展开，预扭是一种弹性变形状态，在叶片装配时，扭转角是一个较小的角度，对其进行直接测量是一件较困难的事情，因此，我们将预扭量转换为装配后的中间体、围带错牙值，通过评估错牙值的大小来判断预扭量是否达到要求，图5即为预扭量检查示意图。

在实际装配过程，按以下流程进行装配：

(1)每级叶根槽有一个末叶片槽开口，先将每一级2/3的标准叶片通过末叶片槽滑入叶根槽中，再将末叶片放入末叶片槽进行固定，如图6(a)所示。

(2)然后将相邻标准片靠在末叶上，装入过盈的塞紧条使其顶紧叶片(如图7所示)，然后使用标准片打紧，使其与末叶片紧密贴合，然后依次将数只叶片按同样方法试装打紧，如图6(b)所示。由于预扭量的作用，两只叶片围带会自然出现错牙状态，此时对围带预扭量进行初步检查，大致可以满足要求后再进行下序工作。

(3)按照(2)中的过程将叶根槽中剩余标准叶片装配完毕，然后拔除末叶片，如图6(c)所示。然后装入剩余标准叶片，继续按照(2)中过程装配，如图6(d)所示。

(4)将标准叶片装配完毕后，将末叶片带有一定过盈量打入，如图6(e)所示。

(5)叶片装配完成后检查中间体、围带错牙量值，通过与设计值比对来验证预扭量是否达到设计要求，装配过程完成。

4 结 论

(1)随着近年来国家愈加提倡节能环保，汽轮机对效率的要求越来越高，采用多级小焓降预扭叶片是一种切实可行的解决方案。

(2)小焓降预扭叶片设计的关键在于预扭量的确定，本文通过对原理的分析，提出了预扭量的设计方法，并结合结构设计、强度核算完成叶片设计，最后详细介绍了此种叶片的详细装配过程及检查方法，可以通过此方法快速简便的完成叶片设计工作。

(3)哈汽公司已在多种型号的汽轮机产品上采用了小焓降预扭叶片，揭缸检查时叶片状态良好，也验证了该方法设计叶片的可靠性。

(4)本文为汽轮机小焓降预扭叶片的设计提供了方法，并对后续的叶片设计及优化提供了经验参考。