半轉速核電汽輪機用的末級葉片實施方式

參見圖1，《半轉速核電汽輪機用的末級葉片》由葉根1和葉身2組成，葉身2頂部設有圍帶3，腰部設有凸臺拉筋4，葉根1、葉身2、凸臺拉筋4和圍帶3是整體結構，采用合適的高強度合金鋼葉片和轉子材料整體制造完成。葉片通過葉根1安裝在轉軸外圓上的葉輪槽中，每圈輪槽安裝60只葉片，當葉輪上一周的葉輪槽中均裝上葉片后，就形成了汽輪機的末級。

現(xiàn)以載體為1400兆瓦等級的核電半轉速汽輪機為例，對《半轉速核電汽輪機用的末級葉片》詳細說明，此機最適宜的設計背壓為3.6千帕，在此設計背壓范圍內，最終方案確定的末級葉片葉身的有效高度H為1828.8毫米，根徑Dr為3000毫米，其環(huán)形面積等于27.66平方米，以此根徑和葉身為基準設計完成了低壓模塊的通流。一般的設計原則是低壓末三級作為一個積木塊進行通流匹配設計，針對不同的機型，通過設計低壓前幾級，可以實現(xiàn)不同功率的低壓通流模塊。

參見圖1至圖5，《半轉速核電汽輪機用的末級葉片》的相關變量定義如下：

H為葉身的有效高度，即葉身頂截面與葉身根截面之間的距離。

Dr為根徑，即葉片安裝于轉子后，葉身根截面所在圓的直徑（圖中未標出）。

c1為安裝角，即弦長b1與周向（Y向）的夾角。

b1為弦長，即葉身截面進、出氣邊的距離。

W1為最大厚度，即葉身截面切向寬度。

A為截面積，即葉身橫截面的面積（圖中未標出）。

S1為圍帶背弧工作面。

P1為圍帶內弧工作面。

H1為圍帶厚度。

B1為圍帶內弧工作面P1與汽輪機轉子中軸線X軸的夾角。

A1為工作面S1、P1間的距離。

T1為工作面S1、P1幾何中心間的距離。

S2為凸臺拉筋在葉身上形成的背弧工作面。

P2為凸臺拉筋在葉身上形成的內弧工作面。

A2為工作面S2、P2間的距離。

T2為工作面S2、P2幾何中心間的距離。

Lj為凸臺拉筋在葉身上的高度。

W2為凸臺拉筋的厚度。

V2為凸臺拉筋的寬度。

X2為凸臺拉筋輪廓中軸線與水平面的夾角。

B2為凸臺拉筋內弧工作面P2與汽輪機轉子中軸線X軸的夾角。

C2為凸臺拉筋背弧工作面S2與相鄰面的拔模角度。

D2為葉根中心線與汽輪機轉子中軸線X軸的水平夾角。

B為葉根的軸向寬度。

O1為葉身根截面出口喉寬度，即出口邊與相鄰葉身截面背弧的最小距離。

α1°為出口幾何角，sin^-1（O1/T）。

T為節(jié)距，即相鄰兩葉片同一高度截面在周向的安裝距離。

（1）葉型設計，沿葉高若干個特征葉身截面的氣動設計

采用專用的通流設計程序設計了本末級葉片沿葉高各截面的基本葉型要素及安裝位置，沿葉高各基本葉型的特征是：根部為亞音速葉型、中部為跨音速葉型、頂部為超音速葉型。基本葉型的橫截面積沿高度單調減小，呈塔形變化，葉高H的相對值（葉片的某一截面高度與總的葉高值之比）由0.0單調增加到1.0；與之相對應，安裝角c1的絕對值由80.99°單調減小到10.8°；從根截面到頂截面的截面積A的相對值（頂截面為1.0）變化規(guī)律為：5.564≥A≥1.0；從根截面到頂截面的軸向寬度Xa的相對值（頂截面為1.0）變化規(guī)律為：8.437≥Xa≥1.0；從根截面到頂截面的弦長b1的相對值（頂截面為1.0）變化規(guī)律為：1.556≥b1≥1.0；從根截面到頂截面的最大厚度W1的相對值（頂截面為1.0）變化規(guī)律為：3.131≥W1≥1.0?；救~型沿高度單調扭轉成型，基本葉型的出口幾何角α1o沿高度單調可控地減小。

（2）凸臺拉筋結構—大變形阻尼葉片的連接結構設計

由于在工作狀態(tài)下，葉片中上部分的截面相對于靜止狀態(tài)時有較大的扭轉變形，采用結構有限元分析方法優(yōu)化設計了葉片的連接結構。在葉身上高度為Lj的位置設置凸臺拉筋，凸臺拉筋的高度Lj滿足關系式0.55＜Lj/H＜0.7，凸臺拉筋截面為橢圓形，凸臺拉筋在葉身上形成背弧工作面S2和內弧工作面P2，其背弧工作面S2、內弧工作面P2是相互平行的平面；A2為工作面S2、P2間的距離，T2為工作面S2、P2幾何中心間的距離。凸臺拉筋內弧工作面P2與X軸的夾角B2滿足關系式：A2=T2*COSB2，25°≤B2≤55°；凸臺拉筋背弧工作面S2與相鄰面的拔模角度為C2，其滿足關系式：3°≤C2≤9°；凸臺拉筋的厚度為W2，寬度為V2，凸臺拉筋輪廓中軸線與水平面的夾角為X2，厚度W2、寬度V2和夾角X2分別滿足關系式：15毫米≤W2≤35毫米,40毫米≤V2≤60毫米,12°≤C2≤28°。

該凸臺拉筋結構的功能是在額定轉速時工作面接觸形成合適的壓應力，增加葉片的阻尼，大幅度降低葉片動應力，同時提高葉片剛性。

（3）圍帶結構—大變形阻尼葉片的連接結構設計

與葉身自成一體的圍帶厚度為H1，厚度H1滿足關系式：10毫米＜H1＜25毫米，自帶圍帶結構在氣動方面阻止了葉頂?shù)臋M向竄流和徑向流，在約轉速N1轉/分時，圍帶背弧工作面S1與相鄰葉片圍帶內弧工作面P1接觸，產(chǎn)生較大的壓應力F1，接觸轉速N1滿足關系式：0≤N1≤1000轉/分；工作面壓應力F1滿足關系式：0.01＜F1≤0.05倍材料的強度極限；圍帶內弧工作面P1與汽輪機轉子中軸線X軸的夾角B1滿足關系式：A1=T1*COSB1，30⁰≤B1≤50⁰。

圍帶在葉片工作時增加葉片剛性，使靜態(tài)下的自由葉片在額定轉速時較大地限制了葉頂?shù)呐まD恢復，形成整圈約束結構，大幅度降低葉片動應力。

（4）葉根設計

葉根為斜置式四齒斜齒形樅樹型葉根，該結構能使葉片與轉子結合牢固、穩(wěn)定，且便于與轉子裝配，操作簡便、快捷。葉根中心線與汽輪機轉子中軸線X軸的水平夾角為D2，夾角為D2滿足關系式：60°≤D2≤140°，葉根的軸向寬度為B，軸向寬度B滿足關系式：450≤D2≤650毫米。

1.一種半轉速核電汽輪機用的末級葉片，具有葉根和葉身，所述葉身頂部設有圍帶，腰部設有凸臺拉筋，葉根、葉身、凸臺拉筋和圍帶是整體結構；所述葉身是由若干特征截面按一特定規(guī)律迭合而成的異形體；所述特征截面的輪廓型線是由內弧曲線和背弧曲線圍成的封閉曲線，具有特征參數(shù)安裝角c1、弦長b1、最大厚度W1、軸向寬度Xa、截面積A；截面的迭合規(guī)律是沿葉高方向自根端向頂端各截面連續(xù)光滑過渡；其特征在于，所述葉身的有效高度為H、根徑為Dr；葉高H的相對值由0.0單調增加到1.0；與之相對應，安裝角c1的絕對值由80.99°單調減小到10.8°；從根截面到頂截面的截面積A的相對值變化規(guī)律為：5.564≥A≥1.0；從根截面到頂截面的軸向寬度Xa的相對值變化規(guī)律為：8.437≥Xa≥1.0；從根截面到頂截面的弦長b1的相對值變化規(guī)律為：1.556≥b1≥1.0；從根截面到頂截面的最大厚度W1的相對值變化規(guī)律為：3.131≥W1≥1.0。

2.根據(jù)權利要求1所述半轉速核電汽輪機用的末級葉片，其特征在于，所述圍帶具有背弧工作面S1和內弧工作面P1，S1和P1是相互平行的平面，在轉速N1轉/分時，圍帶背弧工作面S1與相鄰葉片圍帶內弧工作面P1接觸，產(chǎn)生壓應力F1，A1為工作面S1、P1間的距離，T1為工作面S1、P1幾何中心間的距離；所述圍帶厚度H1滿足關系式：10＜H1＜25毫米；所述內弧工作面P1與汽輪機轉子中軸線X軸的夾角B1滿足關系式：A1=T1*COSB1，30⁰≤B1≤50⁰；所述相鄰葉片的圍帶接觸轉速N1滿足關系式：0≤N1≤1000轉/分；所述工作面的壓應力F1滿足關系式：0.01＜F1≤0.05倍材料的強度極限。

3.根據(jù)權利要求1所述半轉速核電汽輪機用的末級葉片，其特征在于，所述凸臺拉筋截面為橢圓形，凸臺拉筋在葉身上形成背弧工作面S2和內弧工作面P2，S2和P2是相互平行的平面，A2為工作面S2、P2間的距離，T2為工作面S2、P2幾何中心間的距離；

所述凸臺拉筋的高度Lj滿足關系式：0.55＜Lj/H＜0.7；

所述凸臺拉筋的厚度W2和寬度V2分別滿足關系式：15毫米≤W2≤35毫米；40毫米≤V2≤60毫米；

所述凸臺拉筋輪廓中軸線與水平面的夾角X2滿足關系式：12°≤X2≤28°；

所述凸臺拉筋內弧工作面P2與汽輪機轉子中軸線X軸的夾角B2滿足關系式：A2=T2*COSB2，25°≤B2≤55°；

所述凸臺拉筋背弧工作面S2與相鄰面的拔模角度C2滿足關系式：3°≤C2≤9°。

4.根據(jù)權利要求1所述半轉速核電汽輪機用的末級葉片，其特征在于，所述葉根為樅樹型葉根。

5.根據(jù)權利要求4所述半轉速核電汽輪機用的末級葉片，其特征在于，所述葉根為斜置式四齒斜齒形樅樹型葉根；所述葉根中心線與汽輪機轉子中軸線X軸的水平夾角D2滿足關系式：60°≤D2≤140°；所述葉根的軸向寬度B滿足關系式：450≤B≤650毫米。

《半轉速核電汽輪機用的末級葉片》涉及汽輪機葉片，具體是一種半轉速核電汽輪機用的末級葉片。它適合用于額定轉速為1500轉/分的核電蒸汽輪機，尤其是適用于背壓為3～6千帕、功率為1000～1700兆瓦、轉速為1500轉/分的核電汽輪機。

圖1是《半轉速核電汽輪機用的末級葉片》的一種結構示意圖。

圖2是凸臺拉筋結構示意圖。

圖3是圍帶結構示意圖。

圖4是葉身截面示意圖。

圖5是葉根結構示意圖。

圖6是圖5的側視圖。

半轉速核電汽輪機用的末級葉片專利目的

《半轉速核電汽輪機用的末級葉片》提供一種自主研發(fā)的半轉速核電汽輪機用的末級葉片，該葉片為72英寸葉片，適合用于額定轉速為1500轉/分的核電蒸汽輪機，尤其是適用于背壓為3～6千帕、功率為1000～1700兆瓦、轉速為1500轉/分的核電汽輪機。

半轉速核電汽輪機用的末級葉片技術方案

一種半轉速核電汽輪機用的末級葉片，具有葉根和葉身，所述葉身頂部設有圍帶，腰部設有凸臺拉筋，葉根、葉身、凸臺拉筋和圍帶是整體結構；所述葉身是由若干特征截面按一特定規(guī)律迭合而成的異形體；所述特征截面的輪廓型線是由內弧曲線和背弧曲線圍成的封閉曲線，具有特征參數(shù)安裝角c1、弦長b1、最大厚度W1、軸向寬度Xa、截面積A；截面的迭合規(guī)律是沿葉高方向自根端向頂端各截面連續(xù)光滑過渡；所述葉身的有效高度為H、根徑為Dr；葉高H的相對值由0.0單調增加到1.0；與之相對應，安裝角c1的絕對值由80.99°單調減小到10.8°；從根截面到頂截面的截面積A的相對值變化規(guī)律為：5.564≥A≥1.0；從根截面到頂截面的軸向寬度Xa的相對值變化規(guī)律為：8.437≥Xa≥1.0；從根截面到頂截面的弦長b1的相對值變化規(guī)律為：1.556≥b1≥1.0；從根截面到頂截面的最大厚度W1的相對值變化規(guī)律為：3.131≥W1≥1.0。

所述圍帶具有背弧工作面S1和內弧工作面P1，S1和P1是相互平行的平面，在轉速N1轉/分時，圍帶背弧工作面S1與相鄰葉片圍帶內弧工作面P1接觸，產(chǎn)生壓應力F1，A1為工作面S1、P1間的距離，T1為工作面S1、P1幾何中心間的距離；

所述圍帶厚度H1滿足關系式：10＜H1＜25毫米；

所述內弧工作面P1與汽輪機轉子中軸線X軸的夾角B1滿足關系式：A1=T1*COSB1，30⁰≤B1≤50⁰；

所述相鄰葉片的圍帶接觸轉速N1滿足關系式：0≤N1≤1000轉/分；

所述工作面的壓應力F1滿足關系式：0.01＜F1≤0.05倍材料的強度極限。

所述凸臺拉筋截面為橢圓形，凸臺拉筋在葉身上形成背弧工作面S2和內弧工作面P2，S2和P2是相互平行的平面，A2為工作面S2、P2間的距離，T2為工作面S2、P2幾何中心間的距離；

所述凸臺拉筋的高度Lj滿足關系式：0.55＜Lj/H＜0.7；

所述凸臺拉筋的厚度W2和寬度V2分別滿足關系式：15毫米≤W2≤35毫米；40毫米≤V2≤60毫米；

所述凸臺拉筋輪廓中軸線與水平面的夾角X2滿足關系式：12°≤X2≤28°；

所述凸臺拉筋內弧工作面P2與汽輪機轉子中軸線X軸的夾角B2滿足關系式：A2=T2*COSB2，25°≤B2≤55°；

所述凸臺拉筋背弧工作面S2與相鄰面的拔模角度C2滿足關系式：3°≤C2≤9°。

所述葉根為樅樹型葉根。

所述葉根為斜置式四齒斜齒形樅樹型葉根；

所述葉根中心線與汽輪機轉子中軸線X軸的水平夾角D2滿足關系式：60°≤D2≤140°；

所述葉根的軸向寬度B滿足關系式：450≤B≤650毫米。

半轉速核電汽輪機用的末級葉片有益效果

《半轉速核電汽輪機用的末級葉片》上述結構的末級葉片自主研發(fā)而成，具有良好的動態(tài)性能，氣動性好，動應力小，剛性和阻尼特性好，強度高，安全可靠，能夠滿足葉片的安全性要求；葉根為斜置式斜齒形樅樹型葉根設計，能使葉片與轉子結合牢固、穩(wěn)定；它填補了中國在核電汽輪機用末級長葉片技術方面的空白，滿足了市場對大容量核電汽輪機的需要，使中國葉片的技術水平達到世界先進水平，具有較高的經(jīng)濟性和可靠性，提高了中國核電汽輪機在國際市場的競爭力，也擺脫了中國核電汽輪機長期受制于人的局面，利國利民。

核電作為清潔能源之一，具有穩(wěn)定生產(chǎn)大量電力的特點，它有效應對了能源耗竭、地球溫室效應以及控制二氧化碳排放等一系列環(huán)境問題。

截至2011年3月，積極推進核電建設成為中國的一項重要戰(zhàn)略，對于滿足經(jīng)濟和社會發(fā)展不斷增長的能源需求，保障能源供應與安全，保護環(huán)境，實現(xiàn)中國溫室氣體控制目標，達到電力工業(yè)結構優(yōu)化和可持續(xù)發(fā)展，提升中國綜合經(jīng)濟實力、工業(yè)技術水平和國際地位，都具有重要的意義。截至2011年3月，中國電力總裝機容量中，核電機組僅占其中的1.8％，發(fā)電量僅占2.3％，但這一局面正在逐步改變。根據(jù)國家能源結構調整的規(guī)劃設想，到2020年，中國核電在全國發(fā)電總裝機容量中的比例要占到４％，占總發(fā)電量的６％，即核電投運規(guī)模將達到3600～4000萬千瓦?？梢灶A見，作為一種技術成熟，可大規(guī)模生產(chǎn)的安全、經(jīng)濟、清潔的能源，核電在中國的遠景規(guī)劃中將有更大的發(fā)展空間。

蒸汽輪機是核電廠主力設備之一，安裝于汽輪機轉軸上的動葉片又是汽輪機中重要的關鍵部件，特別是末級動葉片設計技術，還因其涉及的技術面廣、技術含金量高而成為汽輪機設計中的核心技術，世界頂級的末級長葉片技術是世界上各大汽輪機制造商致力研發(fā)的目標。

核電汽輪機低壓末級葉片需要承受很大的蒸汽流量和負荷，末級葉片的長度決定了低壓缸數(shù)量和汽輪機全長，且極大影響汽輪機整體效率。排汽損失在汽輪機整體損失中占比很大，使用更長的末級葉片可以大幅度降低汽輪機整體損失。在截至2011年3月前的合金鋼性能水平下，設計出更長的末葉片是提高汽輪機效率的最有效的途徑。由于葉片的設計與制造是尖端技術，每一系列的葉片研制均面臨著諸多技術挑戰(zhàn)，尤其是末級葉片更為突出，末級葉片的研制需要結合考慮材料強度、氣動和強度振動設計、制造等各種因素。因而，汽輪機末級長葉片的開發(fā)成為世界上各大汽輪機制造商關注的重點，也是其設計制造的難點，其水平代表了開發(fā)者的綜合實力。先進的末級長葉片技術是制造商的核心技術，對外高度保密，一般不會轉讓，即使轉讓，其費用也非常高昂。因此，世界上各大汽輪機制造廠商均在積極開發(fā)具有自己風格的末級長葉片系列，這些末級長葉片的結構形式大體可分為二種，其中一種為樅樹形葉根、變截面扭曲葉身（氣道）、一道整體拉筋和一層整體圍帶的結構，另一種為叉形葉根、變截面扭曲葉身（氣道）、一道整體拉筋和一層整體圍帶的結構。雖然世界上各廠家開發(fā)的核電末級葉片的基本結構相近，但具體結構的設計參數(shù)選擇仍然是重重之重的技術難點，各廠家的核電末級葉片的根徑、葉片數(shù)、葉寬、葉高、葉型形狀、成型規(guī)律、拉筋、圍帶的結構要素等不盡同，各有自己的特點。截至2011年3月，國際已知最長的核電末級葉片為三菱重工的74英寸動葉片，中國國內已知最長的核電末級葉片為上海汽輪機廠的68英寸動葉片。由于核電末級葉片高技術含量的這一特性，使得從中國國外進口時，始終處于被動，接受其苛刻的一系列條件，價格也極其高昂；而中國國內生產(chǎn)的核電末級葉片，因其技術限制，應用范圍有限，無法在更大功率的核電汽輪機上應用，這直接影響了中國核電事業(yè)前進步伐，進而影響了國民經(jīng)濟建設。

2016年12月7日，《半轉速核電汽輪機用的末級葉片》獲得第十八屆中國專利優(yōu)秀獎。 2100433B

低壓末級葉片排汽面積決定飽和蒸汽汽輪機的最大功率，而末級葉片排汽面積取決于葉片的高度。所以為了增大功率就必須采取增加低壓缸的數(shù)量或增加末級葉片的高度。

對于增加低壓缸的數(shù)量來說，由于受機組軸系長度、軸系穩(wěn)定性、轉子的臨界轉速等限制，一般最多采用四個低壓缸。此外隨著機組軸系的加長，汽輪機廠房的投資也會增加。

末級葉片的高度增加，受到葉片材料應力和強度的限制。對于全速汽輪機來說，由于其轉速是半速機的一倍，同樣長度的葉片工作時承受到的離心力是半速機的四倍。因此全速汽輪機不可能采用較長的葉片。采用半速機在同樣的末級葉片應力和強度的情況下，可使汽輪機的功率大約增加四倍。隨著機組功率的不斷增加，要求不斷增加排汽面積，而排汽面積的增加受末級葉高增加的限制，因為隨著葉高的增加，葉片的應力不斷增大，采用全速機可能超過葉片材料的許用應力。采用半速機在滿足末級葉高增加的同時，葉片的應力又不會超過葉片材料的許用應力，因此采用半速機組有利于提高單機的極限功率和機組效率，有利于降低葉片的設計難度。

采用半速機另外的原因是在同樣末級葉片情況下，由于葉頂速度降低，葉片的水蝕量減小，同時降低了轉動部件的應力。在給定功率的前提下，由于可以采用更長的末級葉片來增加排汽面積，因此可以減少排汽缸的數(shù)量，降低設備及廠房的投資。

蒸汽在汽輪機內做功伴隨著壓力和溫度的降低，體積的膨脹，由于最后一級的蒸汽壓力最低，所需的容積流量也最高，因此末級葉片是汽輪機各級葉片中最長的一級，承受最大的離心力載荷和由此產(chǎn)生的應力。

末級葉片是汽輪機中的一個重要部件，它的工作環(huán)境復雜，其可靠性的影響因素眾多，是一個復雜的多學科問題，它不僅與機械設計、空氣動力學設計、材料成分設計有關，還與材料熱處理工藝設計、材料生產(chǎn)控制、成品組裝工藝及控制、環(huán)境因素等相關。在國內外汽輪機的運行過程中，都曾出現(xiàn)較多的末級葉片裂紋或斷裂事故。究其原因是多樣性的、復雜的。為了保證汽輪機的正常運轉，有效減少和預防事故的發(fā)生，在汽輪機末級葉片正式投入使用之前，我們有必要對汽輪機末級葉片進行全面的微觀組織結構和力學性能的分析，以確保其在投入使用后能正常運轉，避免葉片過早的失效，有效提高汽輪機的可靠性和安全性。