半转速核电汽轮机用的末级叶片

《半转速核电汽轮机用的末级叶片》涉及汽轮机叶片，具体是一种半转速核电汽轮机用的末级叶片。它适合用于额定转速为1500转/分的核电蒸汽轮机，尤其是适用于背压为3～6千帕、功率为1000～1700兆瓦、转速为1500转/分的核电汽轮机。

核电作为清洁能源之一，具有稳定生产大量电力的特点，它有效应对了能源耗竭、地球温室效应以及控制二氧化碳排放等一系列环境问题。

截至2011年3月，积极推进核电建设成为中国的一项重要战略，对于满足经济和社会发展不断增长的能源需求，保障能源供应与安全，保护环境，实现中国温室气体控制目标，达到电力工业结构优化和可持续发展，提升中国综合经济实力、工业技术水平和国际地位，都具有重要的意义。截至2011年3月，中国电力总装机容量中，核电机组仅占其中的1.8％，发电量仅占2.3％，但这一局面正在逐步改变。根据国家能源结构调整的规划设想，到2020年，中国核电在全国发电总装机容量中的比例要占到４％，占总发电量的６％，即核电投运规模将达到3600～4000万千瓦。可以预见，作为一种技术成熟，可大规模生产的安全、经济、清洁的能源，核电在中国的远景规划中将有更大的发展空间。

蒸汽轮机是核电厂主力设备之一，安装于汽轮机转轴上的动叶片又是汽轮机中重要的关键部件，特别是末级动叶片设计技术，还因其涉及的技术面广、技术含金量高而成为汽轮机设计中的核心技术，世界顶级的末级长叶片技术是世界上各大汽轮机制造商致力研发的目标。

核电汽轮机低压末级叶片需要承受很大的蒸汽流量和负荷，末级叶片的长度决定了低压缸数量和汽轮机全长，且极大影响汽轮机整体效率。排汽损失在汽轮机整体损失中占比很大，使用更长的末级叶片可以大幅度降低汽轮机整体损失。在截至2011年3月前的合金钢性能水平下，设计出更长的末叶片是提高汽轮机效率的最有效的途径。由于叶片的设计与制造是尖端技术，每一系列的叶片研制均面临着诸多技术挑战，尤其是末级叶片更为突出，末级叶片的研制需要结合考虑材料强度、气动和强度振动设计、制造等各种因素。因而，汽轮机末级长叶片的开发成为世界上各大汽轮机制造商关注的重点，也是其设计制造的难点，其水平代表了开发者的综合实力。先进的末级长叶片技术是制造商的核心技术，对外高度保密，一般不会转让，即使转让，其费用也非常高昂。因此，世界上各大汽轮机制造厂商均在积极开发具有自己风格的末级长叶片系列，这些末级长叶片的结构形式大体可分为二种，其中一种为枞树形叶根、变截面扭曲叶身（气道）、一道整体拉筋和一层整体围带的结构，另一种为叉形叶根、变截面扭曲叶身（气道）、一道整体拉筋和一层整体围带的结构。虽然世界上各厂家开发的核电末级叶片的基本结构相近，但具体结构的设计参数选择仍然是重重之重的技术难点，各厂家的核电末级叶片的根径、叶片数、叶宽、叶高、叶型形状、成型规律、拉筋、围带的结构要素等不尽同，各有自己的特点。截至2011年3月，国际已知最长的核电末级叶片为三菱重工的74英寸动叶片，中国国内已知最长的核电末级叶片为上海汽轮机厂的68英寸动叶片。由于核电末级叶片高技术含量的这一特性，使得从中国国外进口时，始终处于被动，接受其苛刻的一系列条件，价格也极其高昂；而中国国内生产的核电末级叶片，因其技术限制，应用范围有限，无法在更大功率的核电汽轮机上应用，这直接影响了中国核电事业前进步伐，进而影响了国民经济建设。

图1是《半转速核电汽轮机用的末级叶片》的一种结构示意图。

图2是凸台拉筋结构示意图。

图3是围带结构示意图。

图4是叶身截面示意图。

图5是叶根结构示意图。

图6是图5的侧视图。

2016年12月7日，《半转速核电汽轮机用的末级叶片》获得第十八届中国专利优秀奖。 2100433B

参见图1，《半转速核电汽轮机用的末级叶片》由叶根1和叶身2组成，叶身2顶部设有围带3，腰部设有凸台拉筋4，叶根1、叶身2、凸台拉筋4和围带3是整体结构，采用合适的高强度合金钢叶片和转子材料整体制造完成。叶片通过叶根1安装在转轴外圆上的叶轮槽中，每圈轮槽安装60只叶片，当叶轮上一周的叶轮槽中均装上叶片后，就形成了汽轮机的末级。

现以载体为1400兆瓦等级的核电半转速汽轮机为例，对《半转速核电汽轮机用的末级叶片》详细说明，此机最适宜的设计背压为3.6千帕，在此设计背压范围内，最终方案确定的末级叶片叶身的有效高度H为1828.8毫米，根径Dr为3000毫米，其环形面积等于27.66平方米，以此根径和叶身为基准设计完成了低压模块的通流。一般的设计原则是低压末三级作为一个积木块进行通流匹配设计，针对不同的机型，通过设计低压前几级，可以实现不同功率的低压通流模块。

参见图1至图5，《半转速核电汽轮机用的末级叶片》的相关变量定义如下：

H为叶身的有效高度，即叶身顶截面与叶身根截面之间的距离。

Dr为根径，即叶片安装于转子后，叶身根截面所在圆的直径（图中未标出）。

c1为安装角，即弦长b1与周向（Y向）的夹角。

b1为弦长，即叶身截面进、出气边的距离。

W1为最大厚度，即叶身截面切向宽度。

A为截面积，即叶身横截面的面积（图中未标出）。

S1为围带背弧工作面。

P1为围带内弧工作面。

H1为围带厚度。

B1为围带内弧工作面P1与汽轮机转子中轴线X轴的夹角。

A1为工作面S1、P1间的距离。

T1为工作面S1、P1几何中心间的距离。

S2为凸台拉筋在叶身上形成的背弧工作面。

P2为凸台拉筋在叶身上形成的内弧工作面。

A2为工作面S2、P2间的距离。

T2为工作面S2、P2几何中心间的距离。

Lj为凸台拉筋在叶身上的高度。

W2为凸台拉筋的厚度。

V2为凸台拉筋的宽度。

X2为凸台拉筋轮廓中轴线与水平面的夹角。

B2为凸台拉筋内弧工作面P2与汽轮机转子中轴线X轴的夹角。

C2为凸台拉筋背弧工作面S2与相邻面的拔模角度。

D2为叶根中心线与汽轮机转子中轴线X轴的水平夹角。

B为叶根的轴向宽度。

O1为叶身根截面出口喉宽度，即出口边与相邻叶身截面背弧的最小距离。

α1°为出口几何角，sin^-1（O1/T）。

T为节距，即相邻两叶片同一高度截面在周向的安装距离。

（1）叶型设计，沿叶高若干个特征叶身截面的气动设计

采用专用的通流设计程序设计了本末级叶片沿叶高各截面的基本叶型要素及安装位置，沿叶高各基本叶型的特征是：根部为亚音速叶型、中部为跨音速叶型、顶部为超音速叶型。基本叶型的横截面积沿高度单调减小，呈塔形变化，叶高H的相对值（叶片的某一截面高度与总的叶高值之比）由0.0单调增加到1.0；与之相对应，安装角c1的绝对值由80.99°单调减小到10.8°；从根截面到顶截面的截面积A的相对值（顶截面为1.0）变化规律为：5.564≥A≥1.0；从根截面到顶截面的轴向宽度Xa的相对值（顶截面为1.0）变化规律为：8.437≥Xa≥1.0；从根截面到顶截面的弦长b1的相对值（顶截面为1.0）变化规律为：1.556≥b1≥1.0；从根截面到顶截面的最大厚度W1的相对值（顶截面为1.0）变化规律为：3.131≥W1≥1.0。基本叶型沿高度单调扭转成型，基本叶型的出口几何角α1o沿高度单调可控地减小。

（2）凸台拉筋结构—大变形阻尼叶片的连接结构设计

由于在工作状态下，叶片中上部分的截面相对于静止状态时有较大的扭转变形，采用结构有限元分析方法优化设计了叶片的连接结构。在叶身上高度为Lj的位置设置凸台拉筋，凸台拉筋的高度Lj满足关系式0.55＜Lj/H＜0.7，凸台拉筋截面为椭圆形，凸台拉筋在叶身上形成背弧工作面S2和内弧工作面P2，其背弧工作面S2、内弧工作面P2是相互平行的平面；A2为工作面S2、P2间的距离，T2为工作面S2、P2几何中心间的距离。凸台拉筋内弧工作面P2与X轴的夹角B2满足关系式：A2=T2*COSB2，25°≤B2≤55°；凸台拉筋背弧工作面S2与相邻面的拔模角度为C2，其满足关系式：3°≤C2≤9°；凸台拉筋的厚度为W2，宽度为V2，凸台拉筋轮廓中轴线与水平面的夹角为X2，厚度W2、宽度V2和夹角X2分别满足关系式：15毫米≤W2≤35毫米,40毫米≤V2≤60毫米,12°≤C2≤28°。

该凸台拉筋结构的功能是在额定转速时工作面接触形成合适的压应力，增加叶片的阻尼，大幅度降低叶片动应力，同时提高叶片刚性。

（3）围带结构—大变形阻尼叶片的连接结构设计

与叶身自成一体的围带厚度为H1，厚度H1满足关系式：10毫米＜H1＜25毫米，自带围带结构在气动方面阻止了叶顶的横向窜流和径向流，在约转速N1转/分时，围带背弧工作面S1与相邻叶片围带内弧工作面P1接触，产生较大的压应力F1，接触转速N1满足关系式：0≤N1≤1000转/分；工作面压应力F1满足关系式：0.01＜F1≤0.05倍材料的强度极限；围带内弧工作面P1与汽轮机转子中轴线X轴的夹角B1满足关系式：A1=T1*COSB1，30⁰≤B1≤50⁰。

围带在叶片工作时增加叶片刚性，使静态下的自由叶片在额定转速时较大地限制了叶顶的扭转恢复，形成整圈约束结构，大幅度降低叶片动应力。

（4）叶根设计

叶根为斜置式四齿斜齿形枞树型叶根，该结构能使叶片与转子结合牢固、稳定，且便于与转子装配，操作简便、快捷。叶根中心线与汽轮机转子中轴线X轴的水平夹角为D2，夹角为D2满足关系式：60°≤D2≤140°，叶根的轴向宽度为B，轴向宽度B满足关系式：450≤D2≤650毫米。

半转速核电汽轮机用的末级叶片专利目的

《半转速核电汽轮机用的末级叶片》提供一种自主研发的半转速核电汽轮机用的末级叶片，该叶片为72英寸叶片，适合用于额定转速为1500转/分的核电蒸汽轮机，尤其是适用于背压为3～6千帕、功率为1000～1700兆瓦、转速为1500转/分的核电汽轮机。

半转速核电汽轮机用的末级叶片技术方案

一种半转速核电汽轮机用的末级叶片，具有叶根和叶身，所述叶身顶部设有围带，腰部设有凸台拉筋，叶根、叶身、凸台拉筋和围带是整体结构；所述叶身是由若干特征截面按一特定规律迭合而成的异形体；所述特征截面的轮廓型线是由内弧曲线和背弧曲线围成的封闭曲线，具有特征参数安装角c1、弦长b1、最大厚度W1、轴向宽度Xa、截面积A；截面的迭合规律是沿叶高方向自根端向顶端各截面连续光滑过渡；所述叶身的有效高度为H、根径为Dr；叶高H的相对值由0.0单调增加到1.0；与之相对应，安装角c1的绝对值由80.99°单调减小到10.8°；从根截面到顶截面的截面积A的相对值变化规律为：5.564≥A≥1.0；从根截面到顶截面的轴向宽度Xa的相对值变化规律为：8.437≥Xa≥1.0；从根截面到顶截面的弦长b1的相对值变化规律为：1.556≥b1≥1.0；从根截面到顶截面的最大厚度W1的相对值变化规律为：3.131≥W1≥1.0。

所述围带具有背弧工作面S1和内弧工作面P1，S1和P1是相互平行的平面，在转速N1转/分时，围带背弧工作面S1与相邻叶片围带内弧工作面P1接触，产生压应力F1，A1为工作面S1、P1间的距离，T1为工作面S1、P1几何中心间的距离；

所述围带厚度H1满足关系式：10＜H1＜25毫米；

所述内弧工作面P1与汽轮机转子中轴线X轴的夹角B1满足关系式：A1=T1*COSB1，30⁰≤B1≤50⁰；

所述相邻叶片的围带接触转速N1满足关系式：0≤N1≤1000转/分；

所述工作面的压应力F1满足关系式：0.01＜F1≤0.05倍材料的强度极限。

所述凸台拉筋截面为椭圆形，凸台拉筋在叶身上形成背弧工作面S2和内弧工作面P2，S2和P2是相互平行的平面，A2为工作面S2、P2间的距离，T2为工作面S2、P2几何中心间的距离；

所述凸台拉筋的高度Lj满足关系式：0.55＜Lj/H＜0.7；

所述凸台拉筋的厚度W2和宽度V2分别满足关系式：15毫米≤W2≤35毫米；40毫米≤V2≤60毫米；

所述凸台拉筋轮廓中轴线与水平面的夹角X2满足关系式：12°≤X2≤28°；

所述凸台拉筋内弧工作面P2与汽轮机转子中轴线X轴的夹角B2满足关系式：A2=T2*COSB2，25°≤B2≤55°；

所述凸台拉筋背弧工作面S2与相邻面的拔模角度C2满足关系式：3°≤C2≤9°。

所述叶根为枞树型叶根。

所述叶根为斜置式四齿斜齿形枞树型叶根；

所述叶根中心线与汽轮机转子中轴线X轴的水平夹角D2满足关系式：60°≤D2≤140°；

所述叶根的轴向宽度B满足关系式：450≤B≤650毫米。

半转速核电汽轮机用的末级叶片有益效果

《半转速核电汽轮机用的末级叶片》上述结构的末级叶片自主研发而成，具有良好的动态性能，气动性好，动应力小，刚性和阻尼特性好，强度高，安全可靠，能够满足叶片的安全性要求；叶根为斜置式斜齿形枞树型叶根设计，能使叶片与转子结合牢固、稳定；它填补了中国在核电汽轮机用末级长叶片技术方面的空白，满足了市场对大容量核电汽轮机的需要，使中国叶片的技术水平达到世界先进水平，具有较高的经济性和可靠性，提高了中国核电汽轮机在国际市场的竞争力，也摆脱了中国核电汽轮机长期受制于人的局面，利国利民。

1.一种半转速核电汽轮机用的末级叶片，具有叶根和叶身，所述叶身顶部设有围带，腰部设有凸台拉筋，叶根、叶身、凸台拉筋和围带是整体结构；所述叶身是由若干特征截面按一特定规律迭合而成的异形体；所述特征截面的轮廓型线是由内弧曲线和背弧曲线围成的封闭曲线，具有特征参数安装角c1、弦长b1、最大厚度W1、轴向宽度Xa、截面积A；截面的迭合规律是沿叶高方向自根端向顶端各截面连续光滑过渡；其特征在于，所述叶身的有效高度为H、根径为Dr；叶高H的相对值由0.0单调增加到1.0；与之相对应，安装角c1的绝对值由80.99°单调减小到10.8°；从根截面到顶截面的截面积A的相对值变化规律为：5.564≥A≥1.0；从根截面到顶截面的轴向宽度Xa的相对值变化规律为：8.437≥Xa≥1.0；从根截面到顶截面的弦长b1的相对值变化规律为：1.556≥b1≥1.0；从根截面到顶截面的最大厚度W1的相对值变化规律为：3.131≥W1≥1.0。

2.根据权利要求1所述半转速核电汽轮机用的末级叶片，其特征在于，所述围带具有背弧工作面S1和内弧工作面P1，S1和P1是相互平行的平面，在转速N1转/分时，围带背弧工作面S1与相邻叶片围带内弧工作面P1接触，产生压应力F1，A1为工作面S1、P1间的距离，T1为工作面S1、P1几何中心间的距离；所述围带厚度H1满足关系式：10＜H1＜25毫米；所述内弧工作面P1与汽轮机转子中轴线X轴的夹角B1满足关系式：A1=T1*COSB1，30⁰≤B1≤50⁰；所述相邻叶片的围带接触转速N1满足关系式：0≤N1≤1000转/分；所述工作面的压应力F1满足关系式：0.01＜F1≤0.05倍材料的强度极限。

3.根据权利要求1所述半转速核电汽轮机用的末级叶片，其特征在于，所述凸台拉筋截面为椭圆形，凸台拉筋在叶身上形成背弧工作面S2和内弧工作面P2，S2和P2是相互平行的平面，A2为工作面S2、P2间的距离，T2为工作面S2、P2几何中心间的距离；

所述凸台拉筋的高度Lj满足关系式：0.55＜Lj/H＜0.7；

所述凸台拉筋的厚度W2和宽度V2分别满足关系式：15毫米≤W2≤35毫米；40毫米≤V2≤60毫米；

所述凸台拉筋轮廓中轴线与水平面的夹角X2满足关系式：12°≤X2≤28°；

所述凸台拉筋内弧工作面P2与汽轮机转子中轴线X轴的夹角B2满足关系式：A2=T2*COSB2，25°≤B2≤55°；

所述凸台拉筋背弧工作面S2与相邻面的拔模角度C2满足关系式：3°≤C2≤9°。

4.根据权利要求1所述半转速核电汽轮机用的末级叶片，其特征在于，所述叶根为枞树型叶根。

5.根据权利要求4所述半转速核电汽轮机用的末级叶片，其特征在于，所述叶根为斜置式四齿斜齿形枞树型叶根；所述叶根中心线与汽轮机转子中轴线X轴的水平夹角D2满足关系式：60°≤D2≤140°；所述叶根的轴向宽度B满足关系式：450≤B≤650毫米。

低压末级叶片排汽面积决定饱和蒸汽汽轮机的最大功率，而末级叶片排汽面积取决于叶片的高度。所以为了增大功率就必须采取增加低压缸的数量或增加末级叶片的高度。

对于增加低压缸的数量来说，由于受机组轴系长度、轴系稳定性、转子的临界转速等限制，一般最多采用四个低压缸。此外随着机组轴系的加长，汽轮机厂房的投资也会增加。

末级叶片的高度增加，受到叶片材料应力和强度的限制。对于全速汽轮机来说，由于其转速是半速机的一倍，同样长度的叶片工作时承受到的离心力是半速机的四倍。因此全速汽轮机不可能采用较长的叶片。采用半速机在同样的末级叶片应力和强度的情况下，可使汽轮机的功率大约增加四倍。随着机组功率的不断增加，要求不断增加排汽面积，而排汽面积的增加受末级叶高增加的限制，因为随着叶高的增加，叶片的应力不断增大，采用全速机可能超过叶片材料的许用应力。采用半速机在满足末级叶高增加的同时，叶片的应力又不会超过叶片材料的许用应力，因此采用半速机组有利于提高单机的极限功率和机组效率，有利于降低叶片的设计难度。

采用半速机另外的原因是在同样末级叶片情况下，由于叶顶速度降低，叶片的水蚀量减小，同时降低了转动部件的应力。在给定功率的前提下，由于可以采用更长的末级叶片来增加排汽面积，因此可以减少排汽缸的数量，降低设备及厂房的投资。

蒸汽在汽轮机内做功伴随着压力和温度的降低，体积的膨胀，由于最后一级的蒸汽压力最低，所需的容积流量也最高，因此末级叶片是汽轮机各级叶片中最长的一级，承受最大的离心力载荷和由此产生的应力。

末级叶片是汽轮机中的一个重要部件，它的工作环境复杂，其可靠性的影响因素众多，是一个复杂的多学科问题，它不仅与机械设计、空气动力学设计、材料成分设计有关，还与材料热处理工艺设计、材料生产控制、成品组装工艺及控制、环境因素等相关。在国内外汽轮机的运行过程中，都曾出现较多的末级叶片裂纹或断裂事故。究其原因是多样性的、复杂的。为了保证汽轮机的正常运转，有效减少和预防事故的发生，在汽轮机末级叶片正式投入使用之前，我们有必要对汽轮机末级叶片进行全面的微观组织结构和力学性能的分析，以确保其在投入使用后能正常运转，避免叶片过早的失效，有效提高汽轮机的可靠性和安全性。