CN108386304A - 反击式水轮机的座环 - Google Patents

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龚英
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Abstract

本发明公开了一种反击式水轮机的座环，属于水轮机技术领域，包括上环板、下环板和固定于上环板和下环板之间的多个固定导叶，其特征在于：所述固定导叶上设置有尾翼，尾翼固定在固定导叶的出水边中部上，所述尾翼呈柱状，尾翼的横截面呈梯形，由尾翼底边、尾翼出水边、第一尾翼侧边和第二尾翼侧边围成，尾翼底边长度与固定导叶的出水边长度相等，所述尾翼底边与尾翼出水边平行，且尾翼底边长度大于尾翼出水边长度。本发明能够提高卡门涡街的激振频率，降低卡门涡街的激振能量，能够将固定导叶出口卡门涡街频率与固定导叶固有频率错开，防止产生水力弹性共振，避免固定导叶发生裂纹和水轮机产生啸声，保障水轮机的工作稳定性。

Description

反击式水轮机的座环
技术领域
本发明涉及到水轮机技术领域，尤其涉及一种反击式水轮机的座环。
背景技术
反击式水轮机的固定导叶具有两个功能，其一，作为过流部件，将来自水轮机蜗壳的水流均匀地导入活动导叶；其二，作为受力部件，将整个水轮发电机组的重量传递到混凝土基础上。由于反击式水轮机水力设计技术的进步，采用最新技术设计的固定导叶很少出现水力弹性共振问题。但有两个原因仍使这一共振现象在一些已投运的反击式水轮机上偶有发生，一是现有的水力设计技术还难于对固定导叶出口卡门涡街的频率进行准确预测；二是反击式水轮机的大型化和固定导叶厚度的减小使得固定导叶的刚度降低，从而降低了固定导叶的固有频率，增大了固定导叶出口卡门涡街频率与固有频率重合而产生共振的可能性。一旦出现这种共振，水轮机运行中将出现啸声，并在很短的时间内造成固定导叶裂纹。
卡门涡街的形成主要是固定导叶型线设计不良，在固定导叶正、背面出口附近产生流动分离，正、背面的流动分离涡呈交错脱落所致。卡门涡街的频率为其中fk为卡门涡街频率Hz；S为斯特鲁哈数，它与雷诺数有关，在反击式水轮机中，S＝0.18～0.24；V为边界层外的主流速度m/s；t为脱流的尾迹宽度m，该尾迹宽度为固定导叶出水边厚度、正面边界层厚度、背面边界层厚度三者之和。一旦固定导叶出口卡门涡街频率与固定导叶在水下的低阶固有频率相等或相近，就会出现水力弹性共振。要消除此共振，理论上只需将两种频率错开即可，即要么提高卡门涡街频率，要么提高固定导叶的固有频率。而从已投运反击式水轮机工程实践的可行性上讲，通过增加固定导叶刚度来提高其固有频率变得十分困难。因此，在现有技术中，通常不采用改变固定导叶固有频率的方法，而主要采用提高固定导叶出口卡门涡街频率的方法来消除这种共振。采用提高卡门涡街频率的方法不仅错开了与固定导叶固有频率重合，还能大大降低卡门涡街的能量，因为卡门涡街频率一旦提高，其涡街的能量将大大削弱，从而极大地降低了卡门涡街激起共振的可能性。
现有技术中，为了提高固定导叶出口卡门涡街频率，最常用的方法是对固定导叶背面进行修型，通过修改固定导叶出水边附近固定导叶背面的型线，并减薄固定导叶出水边的厚度，减少固定导叶出水边脱流，降低固定导叶出水边脱流点尾迹宽度，提高卡门涡街频率，降低涡街能量，从而达到消除共振的目的。然而采用这种修型方法却存在以下缺点，其一，由于卡门涡街频率和固定导叶固有频率理论上很难准确给出，因此固定导叶尾部的修型量很难确定，也就是说，对固定导叶出水边进行修型不能确保一蹴而就，很多情况下需要进行多次修型才能彻底消除卡门涡街引起的共振问题，工程实施难度大，周期长，成本也高；其二，固定导叶是反击式水轮机最重要的受力部件，对固定导叶出水边进行修型多少会降低固定导叶的机械强度；其三，对固定导叶出水边进行修型多少会改变固定导叶的固有频率，这也为卡门涡街激振频率与固定导叶固有频率之间的错频带来了新的不确定性。
公开号为CN 201047332Y，公开日为2008年04月16日的中国专利文献公开了一种水轮机座环，包括上环板和下环板、周向均布焊接在上环板和下环板之间的一个个固定导叶、与上环板焊接的上固定圈和上固定环、与下环板焊接的下固定圈和下固定环，其特征是：所述上固定圈和上固定环焊接在上环板的下端面，上固定环外圆上焊接有环形导流板，环形导流板与上环板之间均布焊接有筋板；下固定圈和下固定环焊接在下环板的上端面，下固定环外圆上焊接有环形导流板，环形导流板与下环板之间均布焊接有筋板。
公开号为CN 204646509U，公开日为2015年09月16日的中国专利文献公开了一种水轮机座环组件，包括：上铜环、上过渡板、上环板、下环板、下铜环、下过渡板，上铜环及上过渡板设于上环板上，下铜环及下过渡板设于下环板上，其特征在于：还包括固定导叶及中环板组合，中环板组合包括上层板及下层板，上层板与下层板之间还设有连接固定条，中环板组合设于上环板与下环板之间，上层板及下层板均设有让固定导叶穿过的限位孔，固定导叶穿过限位孔，且固定导叶与限位孔的边缘还通过焊接固定，且两端分别焊接固定于上环板及下环板。
以上述专利文献为代表的现有技术，均存在如下缺陷：
座环上的固定导叶出口卡门涡街频率与固定导叶固有频率容易重合，产生水力弹性共振，致使固定导叶发生裂纹，整个水轮机产生啸声，极大地影响水轮机的工作稳定性。
发明内容
本发明为了克服上述现有技术的缺陷，提供一种反击式水轮机的座环，本发明能够提高卡门涡街的激振频率，降低卡门涡街的激振能量，能够将固定导叶出口卡门涡街频率与固定导叶固有频率错开，防止产生水力弹性共振，避免固定导叶发生裂纹和水轮机产生啸声，保障水轮机的工作稳定性。
本发明通过下述技术方案实现：
反击式水轮机的座环，包括上环板、下环板和固定于上环板和下环板之间的多个固定导叶，其特征在于：所述固定导叶上设置有尾翼，尾翼固定在固定导叶的出水边中部上，所述尾翼呈柱状，尾翼的横截面呈梯形，由尾翼底边、尾翼出水边、第一尾翼侧边和第二尾翼侧边围成，所述尾翼底边长度与固定导叶的出水边长度相等，尾翼底边与固定导叶的出水边固定连接，所述尾翼底边与尾翼出水边平行，且尾翼底边长度大于尾翼出水边长度。
所述尾翼底边的一侧开有呈45度的第一焊接坡口，另一侧开有呈45度的第二焊接坡口，第一焊接坡口和第二焊接坡口对称布置，尾翼底边与固定导叶的出水边通过焊接连接。
所述尾翼出水边的厚度为3-5毫米。
所述尾翼的上端与固定导叶的出水边上端之间的间距为固定导叶的出水边高度的1-5％，尾翼的下端与固定导叶的出水边下端之间的间距为固定导叶的出水边高度的1-5％。
多个固定导叶均为相同几何尺寸，任意相邻两个固定导叶的间距相同。
固定导叶的出水边与尾翼的上端通过焊接连接形成第一焊缝，固定导叶的出水边与尾翼的下端通过焊接连接形成第二焊缝。
固定导叶尾部背面型线为直线，第一尾翼侧边为固定导叶尾部背面型线的延长线；固定导叶尾部正面型线为直线，第二尾翼侧边为固定导叶尾部正面型线的延长线。
固定导叶尾部背面型线为曲线，第一尾翼侧边为固定导叶尾部背面型线的切线，切点为固定导叶尾部背面型线与尾翼底边的交点；固定导叶尾部正面型线为曲线，第二尾翼侧边为固定导叶尾部正面型线的切线，切点为固定导叶尾部正面型线与尾翼底边的交点。
所述尾翼的材质与固定导叶的材质相同。
本发明的工作原理如下：
反击式水轮机的座环，包括上环板、下环板和固定于上环板和下环板之间的多个固定导叶，尾翼是一种装焊在固定导叶出水边上的小镶条，是局部的，将尾翼安装在固定导叶的出水边上，其对反击式水轮机的水力特性和机械性能均无负面影响，固定导叶尾翼采用特定横截面为梯形的形状，能够提高卡门涡街的激振频率，降低卡门涡街的激振能量，从而达到将固定导叶出口卡门涡街频率与固定导叶固有频率错开消除共振的目的。
本发明的有益效果主要表现在以下方面：
一、本发明，“反击式水轮机的座环，包括上环板、下环板和固定于上环板和下环板之间的多个固定导叶，固定导叶上设置有尾翼，尾翼固定在固定导叶的出水边中部上，尾翼呈柱状，尾翼的横截面呈梯形，由尾翼底边、尾翼出水边、第一尾翼侧边和第二尾翼侧边围成，尾翼底边长度与固定导叶的出水边长度相等，尾翼底边与固定导叶的出水边固定连接，尾翼底边与尾翼出水边平行，且尾翼底边长度大于尾翼出水边长度”，由于尾翼是一种装焊在固定导叶出水边上的小镶条，是局部的，将尾翼安装在固定导叶的出水边上，能够保障固定导叶的机械强度，而且能够提高卡门涡街的激振频率，降低卡门涡街的激振能量，能够将固定导叶出口卡门涡街频率与固定导叶固有频率错开，防止产生水力弹性共振，避免固定导叶发生裂纹和水轮机产生啸声，保障水轮机的工作稳定性。
二、本发明，尾翼底边的一侧开有呈45度的第一焊接坡口，另一侧开有呈45度的第二焊接坡口，第一焊接坡口和第二焊接坡口对称布置，尾翼底边与固定导叶的出水边通过焊接连接，不仅能够减少现场焊接对固定导叶的影响，保障整体强度，而且能够减小现场装焊尾翼的工作量。
三、本发明，尾翼的上端与固定导叶的出水边上端之间的间距为固定导叶的出水边高度的1-5％，尾翼的下端与固定导叶的出水边下端之间的间距为固定导叶的出水边高度的1-5％，使得尾翼的上端与反击式水轮机的上环板间以及尾翼的下端与反击式水轮机的下环板间各自具备一留空距离，能够保持座环及固定导叶的固有频率不变，提高错开卡门涡街频率和固定导叶固有频率的准确性；留空距离为固定导叶的出水边高度的1-5％，能够沿固定导叶高度方向让尾翼尽可能多地覆盖固定导叶的出水边区域。
四、本发明，固定导叶的出水边与尾翼的上端通过焊接连接形成第一焊缝，固定导叶的出水边与尾翼的下端通过焊接连接形成第二焊缝，能够将尾翼与固定导叶牢固地连接在一起，进一步保障了整体强度。
附图说明
下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步的具体说明，其中：
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明尾翼的截面示意图；
图3为本发明尾翼与固定导叶的出水边连接的截面示意图；
图4为本发明实施例6中固定导叶与尾翼连接的结构示意图；
图中标记：1、上环板，2、下环板，3、固定导叶，4、尾翼，5、尾翼底边，6、尾翼出水边，7、第一尾翼侧边，8、第二尾翼侧边，9、第一焊接坡口，10、第二焊接坡口，11、第一焊缝，12、第二焊缝。
具体实施方式
实施例1
参见图1和图2，反击式水轮机的座环，包括上环板1、下环板2和固定于上环板1和下环板2之间的多个固定导叶3，所述固定导叶3上设置有尾翼4，尾翼4固定在固定导叶3的出水边中部上，所述尾翼4呈柱状，尾翼4的横截面呈梯形，由尾翼底边5、尾翼出水边6、第一尾翼侧边7和第二尾翼侧边8围成，所述尾翼底边5长度与固定导叶3的出水边长度相等，尾翼底边5与固定导叶3的出水边固定连接，所述尾翼底边5与尾翼出水边6平行，且尾翼底边5长度大于尾翼出水边6长度。
本实施例为最基本的实施方式，“反击式水轮机的座环，包括上环板、下环板和固定于上环板和下环板之间的多个固定导叶，固定导叶上设置有尾翼，尾翼固定在固定导叶的出水边中部上，尾翼呈柱状，尾翼的横截面呈梯形，由尾翼底边、尾翼出水边、第一尾翼侧边和第二尾翼侧边围成，尾翼底边长度与固定导叶的出水边长度相等，尾翼底边与固定导叶的出水边固定连接，尾翼底边与尾翼出水边平行，且尾翼底边长度大于尾翼出水边长度”，由于尾翼是一种装焊在固定导叶出水边上的小镶条，是局部的，将尾翼安装在固定导叶的出水边上，能够保障固定导叶的机械强度，而且能够提高卡门涡街的激振频率，降低卡门涡街的激振能量，能够将固定导叶出口卡门涡街频率与固定导叶固有频率错开，防止产生水力弹性共振，避免固定导叶发生裂纹和水轮机产生啸声，保障水轮机的工作稳定性。
实施例2
参见图1和图3，反击式水轮机的座环，包括上环板1、下环板2和固定于上环板1和下环板2之间的多个固定导叶3，所述固定导叶3上设置有尾翼4，尾翼4固定在固定导叶3的出水边中部上，所述尾翼4呈柱状，尾翼4的横截面呈梯形，由尾翼底边5、尾翼出水边6、第一尾翼侧边7和第二尾翼侧边8围成，所述尾翼底边5长度与固定导叶3的出水边长度相等，尾翼底边5与固定导叶3的出水边固定连接，所述尾翼底边5与尾翼出水边6平行，且尾翼底边5长度大于尾翼出水边6长度。
所述尾翼底边5的一侧开有呈45度的第一焊接坡口9，另一侧开有呈45度的第二焊接坡口10，第一焊接坡口9和第二焊接坡口10对称布置，尾翼底边5与固定导叶3的出水边通过焊接连接。
本实施例为一较佳实施方式，尾翼底边的一侧开有呈45度的第一焊接坡口，另一侧开有呈45度的第二焊接坡口，第一焊接坡口和第二焊接坡口对称布置，尾翼底边与固定导叶的出水边通过焊接连接，不仅能够减少现场焊接对固定导叶的影响，保障整体强度，而且能够减小现场装焊尾翼的工作量。
实施例3
参见图1和图3，反击式水轮机的座环，包括上环板1、下环板2和固定于上环板1和下环板2之间的多个固定导叶3，所述固定导叶3上设置有尾翼4，尾翼4固定在固定导叶3的出水边中部上，所述尾翼4呈柱状，尾翼4的横截面呈梯形，由尾翼底边5、尾翼出水边6、第一尾翼侧边7和第二尾翼侧边8围成，所述尾翼底边5长度与固定导叶3的出水边长度相等，尾翼底边5与固定导叶3的出水边固定连接，所述尾翼底边5与尾翼出水边6平行，且尾翼底边5长度大于尾翼出水边6长度。
所述尾翼底边5的一侧开有呈45度的第一焊接坡口9，另一侧开有呈45度的第二焊接坡口10，第一焊接坡口9和第二焊接坡口10对称布置，尾翼底边5与固定导叶3的出水边通过焊接连接。
所述尾翼出水边6的厚度为3毫米。
所述尾翼4的上端与固定导叶3的出水边上端之间的间距为固定导叶3的出水边高度的1％，尾翼4的下端与固定导叶3的出水边下端之间的间距为固定导叶3的出水边高度的1％。
本实施例为又一较佳实施方式。
实施例4
参见图1和图3，反击式水轮机的座环，包括上环板1、下环板2和固定于上环板1和下环板2之间的多个固定导叶3，所述固定导叶3上设置有尾翼4，尾翼4固定在固定导叶3的出水边中部上，所述尾翼4呈柱状，尾翼4的横截面呈梯形，由尾翼底边5、尾翼出水边6、第一尾翼侧边7和第二尾翼侧边8围成，所述尾翼底边5长度与固定导叶3的出水边长度相等，尾翼底边5与固定导叶3的出水边固定连接，所述尾翼底边5与尾翼出水边6平行，且尾翼底边5长度大于尾翼出水边6长度。
所述尾翼底边5的一侧开有呈45度的第一焊接坡口9，另一侧开有呈45度的第二焊接坡口10，第一焊接坡口9和第二焊接坡口10对称布置，尾翼底边5与固定导叶3的出水边通过焊接连接。
所述尾翼出水边6的厚度为4毫米。
所述尾翼4的上端与固定导叶3的出水边上端之间的间距为固定导叶3的出水边高度的3％，尾翼4的下端与固定导叶3的出水边下端之间的间距为固定导叶3的出水边高度的3％。
本实施例为又一较佳实施方式。
实施例5
参见图1和图3，反击式水轮机的座环，包括上环板1、下环板2和固定于上环板1和下环板2之间的多个固定导叶3，所述固定导叶3上设置有尾翼4，尾翼4固定在固定导叶3的出水边中部上，所述尾翼4呈柱状，尾翼4的横截面呈梯形，由尾翼底边5、尾翼出水边6、第一尾翼侧边7和第二尾翼侧边8围成，所述尾翼底边5长度与固定导叶3的出水边长度相等，尾翼底边5与固定导叶3的出水边固定连接，所述尾翼底边5与尾翼出水边6平行，且尾翼底边5长度大于尾翼出水边6长度。
所述尾翼底边5的一侧开有呈45度的第一焊接坡口9，另一侧开有呈45度的第二焊接坡口10，第一焊接坡口9和第二焊接坡口10对称布置，尾翼底边5与固定导叶3的出水边通过焊接连接。
所述尾翼出水边6的厚度为5毫米。
所述尾翼4的上端与固定导叶3的出水边上端之间的间距为固定导叶3的出水边高度的5％，尾翼4的下端与固定导叶3的出水边下端之间的间距为固定导叶3的出水边高度的5％。
多个固定导叶3均为相同几何尺寸，任意相邻两个固定导叶3的间距相同。
本实施例为又一较佳实施方式。
实施例6
参见图1、图3和图4，反击式水轮机的座环，包括上环板1、下环板2和固定于上环板1和下环板2之间的多个固定导叶3，所述固定导叶3上设置有尾翼4，尾翼4固定在固定导叶3的出水边中部上，所述尾翼4呈柱状，尾翼4的横截面呈梯形，由尾翼底边5、尾翼出水边6、第一尾翼侧边7和第二尾翼侧边8围成，所述尾翼底边5长度与固定导叶3的出水边长度相等，尾翼底边5与固定导叶3的出水边固定连接，所述尾翼底边5与尾翼出水边6平行，且尾翼底边5长度大于尾翼出水边6长度。
所述尾翼底边5的一侧开有呈45度的第一焊接坡口9，另一侧开有呈45度的第二焊接坡口10，第一焊接坡口9和第二焊接坡口10对称布置，尾翼底边5与固定导叶3的出水边通过焊接连接。
所述尾翼出水边6的厚度为5毫米。
所述尾翼4的上端与固定导叶3的出水边上端之间的间距为固定导叶3的出水边高度的5％，尾翼4的下端与固定导叶3的出水边下端之间的间距为固定导叶3的出水边高度的5％。
多个固定导叶3均为相同几何尺寸，任意相邻两个固定导叶3的间距相同。
固定导叶3的出水边与尾翼4的上端通过焊接连接形成第一焊缝11，固定导叶3的出水边与尾翼4的下端通过焊接连接形成第二焊缝12。
固定导叶3尾部背面型线为直线，第一尾翼侧边7为固定导叶3尾部背面型线的延长线；固定导叶3尾部正面型线为直线，第二尾翼侧边8为固定导叶3尾部正面型线的延长线。
本实施例为最佳实施方式之一。
实施例7
参见图1、图3和图4，反击式水轮机的座环，包括上环板1、下环板2和固定于上环板1和下环板2之间的多个固定导叶3，所述固定导叶3上设置有尾翼4，尾翼4固定在固定导叶3的出水边中部上，所述尾翼4呈柱状，尾翼4的横截面呈梯形，由尾翼底边5、尾翼出水边6、第一尾翼侧边7和第二尾翼侧边8围成，所述尾翼底边5长度与固定导叶3的出水边长度相等，尾翼底边5与固定导叶3的出水边固定连接，所述尾翼底边5与尾翼出水边6平行，且尾翼底边5长度大于尾翼出水边6长度。
所述尾翼底边5的一侧开有呈45度的第一焊接坡口9，另一侧开有呈45度的第二焊接坡口10，第一焊接坡口9和第二焊接坡口10对称布置，尾翼底边5与固定导叶3的出水边通过焊接连接。
所述尾翼出水边6的厚度为5毫米。
所述尾翼4的上端与固定导叶3的出水边上端之间的间距为固定导叶3的出水边高度的5％，尾翼4的下端与固定导叶3的出水边下端之间的间距为固定导叶3的出水边高度的5％。
多个固定导叶3均为相同几何尺寸，任意相邻两个固定导叶3的间距相同。
固定导叶3的出水边与尾翼4的上端通过焊接连接形成第一焊缝11，固定导叶3的出水边与尾翼4的下端通过焊接连接形成第二焊缝12。
固定导叶3尾部背面型线为曲线，第一尾翼侧边7为固定导叶3尾部背面型线的切线，切点为固定导叶3尾部背面型线与尾翼底边5的交点；固定导叶3尾部正面型线为曲线，第二尾翼侧边8为固定导叶3尾部正面型线的切线，切点为固定导叶3尾部正面型线与尾翼底边5的交点。
所述尾翼4的材质与固定导叶3的材质相同。
本实施例为最佳实施方式之二。
本发明不限于上述实施例。

Claims (9)

1.反击式水轮机的座环，包括上环板(1)、下环板(2)和固定于上环板(1)和下环板(2)之间的多个固定导叶(3)，其特征在于：所述固定导叶(3)上设置有尾翼(4)，尾翼(4)固定在固定导叶(3)的出水边中部上，所述尾翼(4)呈柱状，尾翼(4)的横截面呈梯形，由尾翼底边(5)、尾翼出水边(6)、第一尾翼侧边(7)和第二尾翼侧边(8)围成，所述尾翼底边(5)长度与固定导叶(3)的出水边长度相等，尾翼底边(5)与固定导叶(3)的出水边固定连接，所述尾翼底边(5)与尾翼出水边(6)平行，且尾翼底边(5)长度大于尾翼出水边(6)长度。
2.根据权利要求1所述的反击式水轮机的座环，其特征在于：所述尾翼底边(5)的一侧开有呈45度的第一焊接坡口(9)，另一侧开有呈45度的第二焊接坡口(10)，第一焊接坡口(9)和第二焊接坡口(10)对称布置，尾翼底边(5)与固定导叶(3)的出水边通过焊接连接。
3.根据权利要求1所述的反击式水轮机的座环，其特征在于：所述尾翼出水边(6)的厚度为3-5毫米。
4.根据权利要求1所述的反击式水轮机的座环，其特征在于：所述尾翼(4)的上端与固定导叶(3)的出水边上端之间的间距为固定导叶(3)的出水边高度的1-5％，尾翼(4)的下端与固定导叶(3)的出水边下端之间的间距为固定导叶(3)的出水边高度的1-5％。
5.根据权利要求1所述的反击式水轮机的座环，其特征在于：多个固定导叶(3)均为相同几何尺寸，任意相邻两个固定导叶(3)的间距相同。
6.根据权利要求1所述的反击式水轮机的座环，其特征在于：固定导叶(3)的出水边与尾翼(4)的上端通过焊接连接形成第一焊缝(11)，固定导叶(3)的出水边与尾翼(4)的下端通过焊接连接形成第二焊缝(12)。
7.根据权利要求6所述的反击式水轮机的座环，其特征在于：固定导叶(3)尾部背面型线为直线，第一尾翼侧边(7)为固定导叶(3)尾部背面型线的延长线；固定导叶(3)尾部正面型线为直线，第二尾翼侧边(8)为固定导叶(3)尾部正面型线的延长线。
8.根据权利要求7所述的反击式水轮机的座环，其特征在于：固定导叶(3)尾部背面型线为曲线，第一尾翼侧边(7)为固定导叶(3)尾部背面型线的切线，切点为固定导叶(3)尾部背面型线与尾翼底边(5)的交点；固定导叶(3)尾部正面型线为曲线，第二尾翼侧边(8)为固定导叶(3)尾部正面型线的切线，切点为固定导叶(3)尾部正面型线与尾翼底边(5)的交点。
9.根据权利要求1所述的反击式水轮机的座环，其特征在于：所述尾翼(4)的材质与固定导叶(3)的材质相同。
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