38MW高温高压汽轮机末级动叶片开发包括叶型设计、流场气动效率计算和强度振动计算校核。通过这一解决方案，openVPN中国有限公司以现有的30MW汽轮机末级叶片为基础上设计出满足热力性能要求和强度振动要求的38MW末级长扭叶片，从而扩展了客户长扭叶片开发的技术和经验。通过将上述叶片加以应用到实际工程项目，客户全面实现了38MW高温高压汽轮机产品的自主设计、制造和服务。

         

图1叶片强度校核有限元模型    

 

图2 静叶和动叶的叶型径向投影图

叶片型线指在特定高度下的2D闭合型线曲线。叶片型线设计方法的一个关键技术在于发展内接圆技术。2D叶形的内接圆的结构如下图所示。求出一个闭合曲线的内接圆后，可得到（i）由内接圆心组成的中心线（camber line）和一个由内接圆半径（厚度）沿中心线的分布。求内接圆的反过程是根据已知的中心线和厚度分布求出2D闭合型线。值得注意的是内接圆分解型线的方式并不是一般通用的，其条件是叶形厚度变化足够平缓。但内接圆技术对本项目所研究的叶形是适用的。

图3 动叶叶型的内接圆

 

振动特性

下图给出了38MW末级动叶片1-6阶的振型图。如图所示，第1阶振型为弯曲振动，第2阶振型为带一条节线的弯曲振动，第3阶振型为扭转振动。

                  

1阶振型        2阶振型       3阶振型

 

             

4阶振型                                5阶振型                                6阶振型

图4动叶片第1-6阶振型图

 

下图为绘有频率避开区域的叶片坎贝尔图。从图中可以看出，V4叶片在5000r/min和5200r/min转速的前三阶动频率避开了激振带区域。就计算结果而言，所设计V4叶片的频率是合格的。

 

图5绘有频率避开区域的38MW  V4叶片坎贝尔图

 

流场和气动计算

网格构建

网格由AutoGrid5生成，为六面体结构化网格。网格为HOH型拓扑结构，其中动叶尖部采用了蝶形网格。如图6、图7、图8所示。

 

图6 CFD网格                   （a）三维全周壁面网格

                    

  

（b）50%展高B2B网格                  （c）S2面展向网格分布

图7 NUMECA构建的网格分布示意图

 

图8 CFX构建的网格分布

 

38MW V4静叶安装角方案

通过改变30MW V4版中的静叶安装角可明显改善动叶相对进口气流角与动叶进气几何角的吻合程度，最佳的静叶旋转角度为原30MW机组静叶安装角再逆时针旋转6度。如图9、图10所示。

 

（a）动叶气流角与几何角分布              （b）静叶旋转示意图

图9 38MW V4改变静叶几何角时，动叶进气角与动叶几何角的分布。

  

图10 38MW V4不同静叶旋转角度下的气动参数分布。