汽輪機(jī)末級(jí)葉片面臨問題

概括來講，汽輪機(jī)末級(jí)葉片有3種結(jié)構(gòu)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(nèi)外汽輪機(jī)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(dòng)力學(xué)的觀點(diǎn)來看，自由葉片流型好、應(yīng)力集中強(qiáng)度較低、其振型少，而且易于計(jì)算，但其最大的缺點(diǎn)是對(duì)抗拉強(qiáng)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(chǎn)生顫振。成組葉片及整圈葉片是通過圍帶與葉頂鉚接進(jìn)行固定。當(dāng)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(nèi)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(jī)內(nèi)做功伴隨著壓力和溫度的降低，體積的膨脹，由于最后一級(jí)的蒸汽壓力最低，所需的容積流量也最高，因此末級(jí)葉片是汽輪機(jī)各級(jí)葉片中最長的一級(jí)，承受最大的離心力載荷和由此產(chǎn)生的應(yīng)力。

末級(jí)葉片是汽輪機(jī)中的一個(gè)重要部件，它的工作環(huán)境復(fù)雜，其可靠性的影響因素眾多，是一個(gè)復(fù)雜的多學(xué)科問題，它不僅與機(jī)械設(shè)計(jì)、空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)、材料成分設(shè)計(jì)有關(guān)，還與材料熱處理工藝設(shè)計(jì)、材料生產(chǎn)控制、成品組裝工藝及控制、環(huán)境因素等相關(guān)。在國內(nèi)外汽輪機(jī)的運(yùn)行過程中，都曾出現(xiàn)較多的末級(jí)葉片裂紋或斷裂事故。究其原因是多樣性的、復(fù)雜的。為了保證汽輪機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，有效減少和預(yù)防事故的發(fā)生，在汽輪機(jī)末級(jí)葉片正式投入使用之前，我們有必要對(duì)汽輪機(jī)末級(jí)葉片進(jìn)行全面的微觀組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的分析，以確保其在投入使用后能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，避免葉片過早的失效，有效提高汽輪機(jī)的可靠性和安全性。

半轉(zhuǎn)速核電汽輪機(jī)用的末級(jí)葉片專利目的

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

半轉(zhuǎn)速核電汽輪機(jī)用的末級(jí)葉片技術(shù)方案

一種半轉(zhuǎn)速核電汽輪機(jī)用的末級(jí)葉片，具有葉根和葉身，所述葉身頂部設(shè)有圍帶，腰部設(shè)有凸臺(tái)拉筋，葉根、葉身、凸臺(tái)拉筋和圍帶是整體結(jié)構(gòu)；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(nèi)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?qū)挾萖a、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(duì)值由0.0單調(diào)增加到1.0；與之相對(duì)應(yīng)，安裝角c1的絕對(duì)值由80.99°單調(diào)減小到10.8°；從根截面到頂截面的截面積A的相對(duì)值變化規(guī)律為：5.564≥A≥1.0；從根截面到頂截面的軸向?qū)挾萖a的相對(duì)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(duì)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(duì)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(nèi)弧工作面P1，S1和P1是相互平行的平面，在轉(zhuǎn)速N1轉(zhuǎn)/分時(shí)，圍帶背弧工作面S1與相鄰葉片圍帶內(nèi)弧工作面P1接觸，產(chǎn)生壓應(yīng)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(guān)系式：10＜H1＜25毫米；

所述內(nèi)弧工作面P1與汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子中軸線X軸的夾角B1滿足關(guān)系式：A1=T1*COSB1，30⁰≤B1≤50⁰；

所述相鄰葉片的圍帶接觸轉(zhuǎn)速N1滿足關(guān)系式：0≤N1≤1000轉(zhuǎn)/分；

所述工作面的壓應(yīng)力F1滿足關(guān)系式：0.01＜F1≤0.05倍材料的強(qiáng)度極限。

所述凸臺(tái)拉筋截面為橢圓形，凸臺(tái)拉筋在葉身上形成背弧工作面S2和內(nèi)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(tái)拉筋的高度Lj滿足關(guān)系式：0.55＜Lj/H＜0.7；

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

所述凸臺(tái)拉筋輪廓中軸線與水平面的夾角X2滿足關(guān)系式：12°≤X2≤28°；

所述凸臺(tái)拉筋內(nèi)弧工作面P2與汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子中軸線X軸的夾角B2滿足關(guān)系式：A2=T2*COSB2，25°≤B2≤55°；

所述凸臺(tái)拉筋背弧工作面S2與相鄰面的拔模角度C2滿足關(guān)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(jī)轉(zhuǎn)子中軸線X軸的水平夾角D2滿足關(guān)系式：60°≤D2≤140°；

所述葉根的軸向?qū)挾菳滿足關(guān)系式：450≤B≤650毫米。

半轉(zhuǎn)速核電汽輪機(jī)用的末級(jí)葉片有益效果

《半轉(zhuǎn)速核電汽輪機(jī)用的末級(jí)葉片》上述結(jié)構(gòu)的末級(jí)葉片自主研發(fā)而成，具有良好的動(dòng)態(tài)性能，氣動(dòng)性好，動(dòng)應(yīng)力小，剛性和阻尼特性好，強(qiáng)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(shè)計(jì)，能使葉片與轉(zhuǎn)子結(jié)合牢固、穩(wěn)定；它填補(bǔ)了中國在核電汽輪機(jī)用末級(jí)長葉片技術(shù)方面的空白，滿足了市場對(duì)大容量核電汽輪機(jī)的需要，使中國葉片的技術(shù)水平達(dá)到世界先進(jìn)水平，具有較高的經(jīng)濟(jì)性和可靠性，提高了中國核電汽輪機(jī)在國際市場的競爭力，也擺脫了中國核電汽輪機(jī)長期受制于人的局面，利國利民。

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

參見圖1，《半轉(zhuǎn)速核電汽輪機(jī)用的末級(jí)葉片》由葉根1和葉身2組成，葉身2頂部設(shè)有圍帶3，腰部設(shè)有凸臺(tái)拉筋4，葉根1、葉身2、凸臺(tái)拉筋4和圍帶3是整體結(jié)構(gòu)，采用合適的高強(qiáng)度合金鋼葉片和轉(zhuǎn)子材料整體制造完成。葉片通過葉根1安裝在轉(zhuǎn)軸外圓上的葉輪槽中，每圈輪槽安裝60只葉片，當(dāng)葉輪上一周的葉輪槽中均裝上葉片后，就形成了汽輪機(jī)的末級(jí)。

現(xiàn)以載體為1400兆瓦等級(jí)的核電半轉(zhuǎn)速汽輪機(jī)為例，對(duì)《半轉(zhuǎn)速核電汽輪機(jī)用的末級(jí)葉片》詳細(xì)說明，此機(jī)最適宜的設(shè)計(jì)背壓為3.6千帕，在此設(shè)計(jì)背壓范圍內(nèi)，最終方案確定的末級(jí)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(zhǔn)設(shè)計(jì)完成了低壓模塊的通流。一般的設(shè)計(jì)原則是低壓末三級(jí)作為一個(gè)積木塊進(jìn)行通流匹配設(shè)計(jì)，針對(duì)不同的機(jī)型，通過設(shè)計(jì)低壓前幾級(jí)，可以實(shí)現(xiàn)不同功率的低壓通流模塊。

參見圖1至圖5，《半轉(zhuǎn)速核電汽輪機(jī)用的末級(jí)葉片》的相關(guān)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(zhuǎn)子后，葉身根截面所在圓的直徑（圖中未標(biāo)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(jìn)、出氣邊的距離。

W1為最大厚度，即葉身截面切向?qū)挾取?

A為截面積，即葉身橫截面的面積（圖中未標(biāo)出）。

S1為圍帶背弧工作面。

P1為圍帶內(nèi)弧工作面。

H1為圍帶厚度。

B1為圍帶內(nèi)弧工作面P1與汽輪機(jī)轉(zhuǎn)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(tái)拉筋在葉身上形成的背弧工作面。

P2為凸臺(tái)拉筋在葉身上形成的內(nèi)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(tái)拉筋在葉身上的高度。

W2為凸臺(tái)拉筋的厚度。

V2為凸臺(tái)拉筋的寬度。

X2為凸臺(tái)拉筋輪廓中軸線與水平面的夾角。

B2為凸臺(tái)拉筋內(nèi)弧工作面P2與汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子中軸線X軸的夾角。

C2為凸臺(tái)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(jī)轉(zhuǎn)子中軸線X軸的水平夾角。

B為葉根的軸向?qū)挾取?

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(shè)計(jì)，沿葉高若干個(gè)特征葉身截面的氣動(dòng)設(shè)計(jì)

采用專用的通流設(shè)計(jì)程序設(shè)計(jì)了本末級(jí)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?；救~型的橫截面積沿高度單調(diào)減小，呈塔形變化，葉高H的相對(duì)值（葉片的某一截面高度與總的葉高值之比）由0.0單調(diào)增加到1.0；與之相對(duì)應(yīng)，安裝角c1的絕對(duì)值由80.99°單調(diào)減小到10.8°；從根截面到頂截面的截面積A的相對(duì)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?qū)挾萖a的相對(duì)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(duì)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(duì)值（頂截面為1.0）變化規(guī)律為：3.131≥W1≥1.0。基本葉型沿高度單調(diào)扭轉(zhuǎn)成型，基本葉型的出口幾何角α1o沿高度單調(diào)可控地減小。

（2）凸臺(tái)拉筋結(jié)構(gòu)—大變形阻尼葉片的連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于在工作狀態(tài)下，葉片中上部分的截面相對(duì)于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)有較大的扭轉(zhuǎn)變形，采用結(jié)構(gòu)有限元分析方法優(yōu)化設(shè)計(jì)了葉片的連接結(jié)構(gòu)。在葉身上高度為Lj的位置設(shè)置凸臺(tái)拉筋，凸臺(tái)拉筋的高度Lj滿足關(guān)系式0.55＜Lj/H＜0.7，凸臺(tái)拉筋截面為橢圓形，凸臺(tái)拉筋在葉身上形成背弧工作面S2和內(nèi)弧工作面P2，其背弧工作面S2、內(nèi)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(tái)拉筋內(nèi)弧工作面P2與X軸的夾角B2滿足關(guān)系式：A2=T2*COSB2，25°≤B2≤55°；凸臺(tái)拉筋背弧工作面S2與相鄰面的拔模角度為C2，其滿足關(guān)系式：3°≤C2≤9°；凸臺(tái)拉筋的厚度為W2，寬度為V2，凸臺(tái)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(guān)系式：15毫米≤W2≤35毫米,40毫米≤V2≤60毫米,12°≤C2≤28°。

該凸臺(tái)拉筋結(jié)構(gòu)的功能是在額定轉(zhuǎn)速時(shí)工作面接觸形成合適的壓應(yīng)力，增加葉片的阻尼，大幅度降低葉片動(dòng)應(yīng)力，同時(shí)提高葉片剛性。

（3）圍帶結(jié)構(gòu)—大變形阻尼葉片的連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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

圍帶在葉片工作時(shí)增加葉片剛性，使靜態(tài)下的自由葉片在額定轉(zhuǎn)速時(shí)較大地限制了葉頂?shù)呐まD(zhuǎn)恢復(fù)，形成整圈約束結(jié)構(gòu)，大幅度降低葉片動(dòng)應(yīng)力。

（4）葉根設(shè)計(jì)

葉根為斜置式四齒斜齒形樅樹型葉根，該結(jié)構(gòu)能使葉片與轉(zhuǎn)子結(jié)合牢固、穩(wěn)定，且便于與轉(zhuǎn)子裝配，操作簡便、快捷。葉根中心線與汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子中軸線X軸的水平夾角為D2，夾角為D2滿足關(guān)系式：60°≤D2≤140°，葉根的軸向?qū)挾葹锽，軸向?qū)挾菳滿足關(guān)系式：450≤D2≤650毫米。