一种减轻汽轮机动应力的叶顶结构的制作方法

涉及汽轮机，具体涉及减轻汽轮机动应力的叶顶结构。

背景技术：

1、汽轮机叶片作为汽轮机的核心部件之一，在高温、高压、高速气流的恶劣环境下工作，其性能直接影响汽轮机的效率、寿命和安全性。叶片的动应力问题长期以来都是汽轮机设计和运行中的一个关键挑战。动应力是由于叶片在高速旋转过程中受到周期性的气动力、离心力以及热应力共同作用而产生的。这些应力会导致叶片产生振动、疲劳损伤，甚至断裂。具体表现为：叶片在高速旋转过程中受到不均匀气动力的作用，产生周期性振动。如果振动频率与叶片的固有频率接近或重合，可能导致共振，造成叶片的快速损伤；在长期周期性应力作用下，叶片材料会产生疲劳裂纹，逐渐扩展，最终导致叶片断裂；由于叶片前后表面温度不均匀，热应力在叶片上产生，这种应力叠加在机械应力上，加剧了叶片的损伤。

2、现有技术中，针对减轻汽轮机叶片动应力的研究主要集中在以下几个方面，但仍存在不足之处：高性能材料如镍基合金和钛合金被广泛应用于叶片制造，这些材料具有良好的高温强度和抗氧化性能。然而，材料本身的改进对动应力的缓解有限，无法从根本上解决问题；(2)通过在叶片内部设计冷却气体通道，降低叶片工作温度，从而减少热应力。然而，传统的冷却通道设计复杂，冷却效果有限，冷却气体的流动阻力大，难以实现高效冷却；(3)叶片的几何形状直接影响应力分布。传统叶片设计主要基于气动性能优化，忽略了应力分布的均匀性，容易产生应力集中点，导致局部疲劳损伤。

3、近年来，随着计算流体力学(cfd)和有限元分析(fea)技术的发展，学者们开始从气动和结构耦合的角度研究叶片的应力分布问题。一些新型叶片形状和冷却通道设计方案被提出，但这些研究大多处于实验室阶段，尚未广泛应用于实际生产中。

技术实现思路

1、为解决现有技术中存在的，现传统叶片设计主要基于气动性能优化，忽略了应力分布的均匀性，容易产生应力集中点，导致局部疲劳损伤的技术问题，本发明提供的技术方案为：

2、一种减轻汽轮机动应力的叶顶结构，包括：

3、栅栏，所述栅栏采用分段分布式结构，每段栅栏之间设有间隙；

4、气体扰流柱，均匀分布在所述栅栏围成的区域内，用于限制泄露流动。

5、进一步，提供一个优选实施方式，所述栅栏的纵切面为矩形结构。

6、进一步，提供一个优选实施方式，所述栅栏和气体扰流柱采用3d打印实现。

7、进一步，提供一个优选实施方式，所述栅栏采用高温合金材料，所述高温合金材料包括镍基合金或钛合金。

8、进一步，提供一个优选实施方式，所述气体扰流柱采用陶瓷基复合材料实现。

9、进一步，提供一个优选实施方式，所述气体扰流柱为圆柱体结构。

10、进一步，提供一个优选实施方式，所述栅栏沿汽轮机叶片顶端的边缘排列设置。

11、汽轮机叶片，所述叶片顶端设有所述的叶顶结构。

12、汽轮机，所述汽轮机包括所述的汽轮机叶片。

13、一种减轻汽轮机动应力的方法，包括：

14、将所述的叶顶结构设置在汽轮机叶片顶端的步骤。

15、与现有技术相比，本发明提供的技术方案的有益之处在于：

16、本发明提供的一种减轻汽轮机动应力的叶顶结构，通过栅栏的分段分布式结构设计及其间隙增大了气体流动能力，减少了气体在叶片叶顶区域的阻塞，从而降低了叶片的动应力。这种设计相比于传统的连续结构栅栏，在减少叶顶与机匣之间的间隙、减少泄露损失方面表现更佳。

17、本发明提供的一种减轻汽轮机动应力的叶顶结构，通过叶顶的凹陷结构和分布的气体扰流柱减轻了叶片的质量，降低了叶片在高速旋转过程中产生的动应力。相比传统叶片设计，气体扰流柱均匀分布在凹陷区域内，能够有效限制泄露流动，消除或削弱泄露涡，从而显著减轻叶片的振动情况，提高叶片的使用寿命。

18、本发明提供的一种减轻汽轮机动应力的叶顶结构，栅栏采用镍基合金或钛合金等高温合金材料，具有良好的高温强度和抗氧化性能，能够在严苛的工作条件下保持结构完整性和稳定性。相比于传统材料，这些高温合金材料显著提高了叶片在高温高压环境下的耐久性。

19、本发明提供的一种减轻汽轮机动应力的叶顶结构，气体扰流柱采用陶瓷基复合材料，具有极高的耐高温性能和优异的抗疲劳性能。与传统金属材料相比，这种材料能更有效地延长汽轮机叶片的使用寿命，降低疲劳失效风险。

20、本发明提供的一种减轻汽轮机动应力的叶顶结构，栅栏和气体扰流柱采用先进的3d打印技术制造，确保复杂几何结构的精确实现。与传统制造工艺相比，3d打印技术能够更精准地控制各部分的尺寸和形状，提高叶片的整体性能和减振效果。

21、本发明提供的一种减轻汽轮机动应力的叶顶结构，通过计算流体力学cfd和有限元分析fea对叶顶结构的流场特性和应力分布进行详细分析，确保减振效果和动应力降低情况。相比于仅通过实验室测试的方法，这种仿真分析技术能够更全面地预测和优化叶片的性能。

22、本发明提供的一种减轻汽轮机动应力的叶顶结构，显著提高了汽轮机叶片的耐久性和抗疲劳性能，有效解决了叶片在高温、高压、高速气流下的动应力问题，与现有技术相比，提供了一种更具实用性和高效性的解决方案。

23、本发明提供的一种减轻汽轮机动应力的叶顶结构，适合应用于减轻汽轮机动应力的工作中。

技术特征：

1.一种减轻汽轮机动应力的叶顶结构，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种减轻汽轮机动应力的叶顶结构，其特征在于，所述栅栏的纵切面为矩形结构。

3.根据权利要求1所述的一种减轻汽轮机动应力的叶顶结构，其特征在于，所述栅栏和气体扰流柱采用3d打印实现。

4.根据权利要求1所述的一种减轻汽轮机动应力的叶顶结构，其特征在于，所述栅栏采用高温合金材料，所述高温合金材料包括镍基合金或钛合金。

5.根据权利要求1所述的一种减轻汽轮机动应力的叶顶结构，其特征在于，所述气体扰流柱采用陶瓷基复合材料实现。

6.根据权利要求1所述的一种减轻汽轮机动应力的叶顶结构，其特征在于，所述气体扰流柱为圆柱体结构。

7.根据权利要求1所述的一种减轻汽轮机动应力的叶顶结构，其特征在于，所述栅栏沿汽轮机叶片顶端的边缘排列设置。

8.汽轮机叶片，其特征在于，所述叶片顶端设有权利要求1所述的叶顶结构。

9.汽轮机，其特征在于，所述汽轮机包括权利要求9所述的汽轮机叶片。

10.一种减轻汽轮机动应力的方法，其特征在于，包括：

技术总结
一种减轻汽轮机动应力的叶顶结构，涉及汽轮机技术领域。为解决现有技术中存在的，现传统叶片设计主要基于气动性能优化，忽略了应力分布的均匀性，容易产生应力集中点，导致局部疲劳损伤的技术问题，本发明提供的技术方案为：一种减轻汽轮机动应力的叶顶结构，包括：栅栏，所述栅栏采用分段分布式结构，每段栅栏之间设有间隙；气体扰流柱，均匀分布在所述栅栏围成的区域内，用于限制泄露流动。所述栅栏的纵切面为矩形结构。所述栅栏采用高温合金材料，所述高温合金材料包括镍基合金或钛合金。所述气体扰流柱为圆柱体结构。所述栅栏沿汽轮机叶片顶端的边缘排列设置。适合应用于减轻汽轮机动应力的工作中。

技术研发人员：卢鹏宇,王海峰,林显超,洪大智,张海红,张凯波,乔文艺,王统,韦玮,严明文,董哲明,于沛轩,武挺俊,李志国,张斌
受保护的技术使用者：内蒙古大唐国际托克托发电有限责任公司
技术研发日：
技术公布日：2024/11/14