汽輪機末級葉片結構形式

概括來講，汽輪機末級葉片有3種結構形式，即自由葉片、成組葉片及由圍帶和/或拉筋連接的整圈葉片。從國內外汽輪機制造廠家來看，BBC、Allis-charmers、KWU等公司采用過自由葉片，美國通用電氣、西屋公司、三菱、日立、列寧格勒金屬工廠等多采用成組葉片。從動力學的觀點來看，自由葉片流型好、應力集中強度較低、其振型少，而且易于計算，但其最大的缺點是對抗拉強度要求高，故葉根很寬，這樣沿葉高的遞減率很大，葉頂?shù)膿闲源?，極容易產生顫振。成組葉片及整圈葉片是通過圍帶與葉頂鉚接進行固定。當然圍帶也可以與葉片整鍛而成，而后彼此焊接在一起。同樣拉筋也可以和葉片鍛成一體，或松拉筋型式。美國通用電氣和西屋公司等采用的成組葉片為每組4只或6只不等，通過自身圍帶和阻尼拉筋連在一起。國內851mm和1016mm葉片為成組連接，680mm、710mm葉片為鉚接整圈圍帶，拉筋為整圈松拉筋。

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。

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。

《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。

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。