半速核電1828 mm末級長葉片開發(fā)

范志飛，范小平，鐘剛云，尹明艷，江生科，楊長柱

（東方汽輪機有限公司，四川 德陽，618000）

0　引言

隨著環(huán)境、資源問題的日益嚴峻，清潔能源在世界范圍內(nèi)得到大力推廣。核電作為一種發(fā)電密度高的清潔能源，在歐美等發(fā)達國家已得到廣泛應(yīng)用。為了克服火力發(fā)電在排放方面對環(huán)境造成不良影響的缺陷，我國制定了大力發(fā)展核能發(fā)電的戰(zhàn)略決策。到2020年，中國核電將建成總裝機容量4000萬千瓦，從而使中國核電的裝機容量占全國總發(fā)電裝機容量的比例，由2002年的1%左右上升到4%左右，這對于各汽輪機制造廠商來說市場前景廣闊。

通流設(shè)計技術(shù)歷來是汽輪機技術(shù)的核心，為滿足核電行業(yè)對自主創(chuàng)新技術(shù)的需求，掌握核電汽輪機通流設(shè)計技術(shù)是首要任務(wù)。其中核電汽輪機末級長葉片的設(shè)計開發(fā)更是重中之重。

末級長葉片的開發(fā)面臨諸如葉片材料性能、葉片經(jīng)濟性和安全性設(shè)計、葉片制造等諸多技術(shù)挑戰(zhàn)。因此，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永恒的研究目標，也是其設(shè)計制造的難點，代表了一個汽輪機制造商的綜合實力和市場競爭力。

國核壓水堆核電站示范工程是國家重大科技專項示范項目。東汽作為該項目自主產(chǎn)權(quán)汽輪機的牽頭研發(fā)單位，于2008年啟動了該項目配套的低壓末級葉片開發(fā)工作。依靠東汽優(yōu)良的末級長葉片設(shè)計、制造、試驗驗證等軟、硬件實力，最終成功研制出了具有世界先進水平、適用于百萬等級以上半轉(zhuǎn)速核電汽輪機的1828 mm末級葉片。

1　開發(fā)設(shè)計

1.1　設(shè)計目標

依托CAP1400國核壓水堆示范工程項目，開發(fā)一只與之配套的低壓末級長葉片。該末級葉片的總體設(shè)計目標如下：

（1）適用機型：半速大型核電汽輪機組；

（2）功率范圍：1200～1700 MW；

（3）設(shè)計背壓范圍：3～8 kPa；

（4）設(shè)計壽命：60年。

1.2　熱力設(shè)計及葉片基本特性參數(shù)

熱力設(shè)計的目的是根據(jù)裝機地點的背壓和機組的容量，優(yōu)化確定排汽環(huán)形面積，初步確定末級葉片根徑和葉高。針對CAP1400國核壓水堆示范工程項目的末級葉片，經(jīng)綜合論證后，確定了以1828 mm葉片為開發(fā)目標。1828 mm葉片的基本特性參數(shù)見表1。

從排汽速度來判定，1828 mm葉片用于CAP1400國核壓水堆示范工程項目是合理的。從變工況的角度考慮，其處于較佳的設(shè)計點附近，如圖1所示。

表1　1828mm末級長葉片的基本技術(shù)特征

圖1　1828 mm葉片排汽損失隨排汽速度變化曲線

1.3　氣動設(shè)計

1.3.1動、靜葉型線設(shè)計

型線設(shè)計與開發(fā)技術(shù)是汽輪機通流技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)，其水平高低直接決定汽輪機通流經(jīng)濟性的好壞。對于末級長葉片，由于其具有強烈的三元效應(yīng)，使葉片的諸多氣動參數(shù)在徑向、軸向和切向合理分布，是末級長葉片設(shè)計中比較關(guān)鍵的一步。1828 mm末級葉片的動、靜葉型線以成熟低壓末級長葉片級動、靜葉型線為母型，并采取可控渦流型設(shè)計，其各截面氣動性能優(yōu)良，沿型線高度方向面積變化合理，型線特性截面高階光順，亞音、跨音、超音速流動特性優(yōu)異。

1.3.2全三元氣動性能分析

采用經(jīng)過實際負荷試驗驗證的最新計算流體力學軟件，全面考慮多級汽輪機低壓透平葉片的壁面形狀、葉片形狀的流體動力和非平衡蒸汽特性，對1828 mm葉片配套的低壓末三級葉片進行了全三元粘性流動特性數(shù)值設(shè)計分析，以保證末三級葉片具有最佳的氣動性能。圖2為1828 mm末級動葉片設(shè)計工況下根、頂部馬赫數(shù)分布，圖3為設(shè)計工況下末三級子午面馬赫數(shù)分布。

圖2　設(shè)計工況末級葉片根部、頂部馬赫數(shù)分布

圖3　設(shè)計工況末三級葉片子午面相對馬赫數(shù)分布

全三元氣動分析結(jié)果表明：

·1828 mm葉片全三維計算總效率高出或相當于同類型的核電末級葉片，表明該級靜、動葉匹配合理，具有優(yōu)良的氣動特性；

·1828 mm葉片配套靜葉流道內(nèi)氣流均勻加速、無可見流動分離，薄出氣邊設(shè)計使得尾跡較薄，尾跡損失?。?/p>

·1828 mm葉片流道內(nèi)氣流均勻加速，無分離，沿葉高具有良好的攻角特性，葉頂超音速流道內(nèi)的流動特性優(yōu)良，激波較弱且波系結(jié)構(gòu)簡單。

1.3.3變工況性能

變工況氣動性能分析結(jié)果顯示，1828 mm末級長葉片在不同的負荷下均具有優(yōu)良的氣動效率。同時，針對不同負荷下的葉片動力學響應(yīng)分析結(jié)果也表明，1828 mm末級長葉片的結(jié)構(gòu)振動特性優(yōu)異，在可能的變工況運行范圍內(nèi)，其動力響應(yīng)均較低。綜上所述，無論是氣動性能還是強度振動特性，1828 mm末級長葉片都是一只變工況特性優(yōu)良，運行適應(yīng)性佳的末級葉片。

1.4　結(jié)構(gòu)、強度及振動設(shè)計

1.4.1結(jié)構(gòu)設(shè)計

1828 mm末級長葉片采用成熟的自帶圍帶冠加凸臺拉金的成圈阻尼葉片結(jié)構(gòu)，材料采用具有優(yōu)秀運行業(yè)績、高強度、高抗腐蝕性、高材料阻尼特性的Cr-Ni-Mo-V-N鋼材料。葉根及輪緣采用承載能力高且有優(yōu)秀運行業(yè)績的斜置樅樹型葉根。1828 mm葉片結(jié)構(gòu)示意圖見圖4。

圖4　1828 mm葉片三維結(jié)構(gòu)示意圖

1.4.2防水蝕措施

1828 mm末級長葉片采用的防水蝕措施為高頻淬火。同時配套導(dǎo)葉采用空心除濕結(jié)構(gòu)，并對空心導(dǎo)葉去濕槽的大小及位置開展了專項優(yōu)化研究，以達到最佳除濕效果。

1.4.3強度、振動特性

1828 mm末級長葉片在離心力的作用下葉片有規(guī)律地變形從而使葉片拉金凸臺和葉頂圍帶相互接觸，形成整圈自鎖葉片結(jié)構(gòu)?？紤]變形導(dǎo)致的剛性變化和接觸摩擦以及葉根、輪槽結(jié)構(gòu)的局部高應(yīng)力集中，在保證常規(guī)強度的同時，通過三維有限元分析軟件進行詳細的非線性彈塑性解析,精確地評估葉片實際應(yīng)力特性，更有效地保證了葉片的安全可靠性。

強度分析結(jié)果表明，1828 mm末級長葉片的常規(guī)強度滿足設(shè)計要求。有限元強度分析結(jié)果顯示，葉型部位的最大應(yīng)力小于葉片材料的屈服強度，如圖5所示。另外對葉片、輪槽進行有限元彈塑性分析，塑性應(yīng)變分析結(jié)果如圖6所示，基于彈塑性分析結(jié)果開展低周疲勞壽命評估，葉片與輪槽的低周疲勞壽命均遠大于15000次，滿足設(shè)計規(guī)范。

圖5　1828 mm葉片葉型區(qū)域應(yīng)力分布

圖6　葉根、輪槽塑性應(yīng)變區(qū)域分布

末級長葉片工作在濕蒸汽區(qū)，并且可能經(jīng)常變工況運行，承受強烈且不穩(wěn)定的氣流激振力作用，如果葉片在工作轉(zhuǎn)速下發(fā)生共振，會產(chǎn)生極大的危害，甚至會導(dǎo)致葉片斷裂。因此保證葉片頻率避開工作轉(zhuǎn)速共振區(qū)域的振動設(shè)計工作至關(guān)重要。采用經(jīng)過多只末級長葉片實際負荷試驗結(jié)果驗證的分析處理方法（特別針對拉金、圍帶間的連接剛度模擬）對1828 mm末級長葉片開展有限元振動分析，并通過改變拉金凸臺位置、大小以及圍帶結(jié)構(gòu)形式等方式優(yōu)化葉片振動、阻尼特性，避開低頻共振頻率以保證整圈葉片的穩(wěn)定性。另外，對葉片型線局部區(qū)域優(yōu)化設(shè)計，以使葉片具有較優(yōu)的振動響應(yīng)特性，提高其耐振性能。

2　試驗驗證

表2　葉片試驗驗證

為了滿足經(jīng)濟性、高可靠性和長壽命的要求，在進行了詳細計算分析基礎(chǔ)上，對1828 mm末級長葉片開展了一系列的氣動、強度、振動驗證試驗，以保證該葉片具有良好的氣動性能、強度及振動特性。各試驗驗證項目內(nèi)容及試驗結(jié)果見表2，圖7為動調(diào)頻試驗轉(zhuǎn)子及葉片實測坎貝爾圖。

圖7　動調(diào)頻試驗及實測葉片坎貝爾圖

3　結(jié)論

經(jīng)過通流匹配設(shè)計、葉型氣動設(shè)計、強度及振動設(shè)計以及結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面迭代優(yōu)化，再加以完善的試驗驗證，最終完成了半速核電1828 mm末級長葉片的開發(fā)設(shè)計。其具有下列先進特性：

（1）采用了先進的可控渦流型設(shè)計、全三元分析與優(yōu)化等氣動設(shè)計技術(shù)，實現(xiàn)了流型優(yōu)化匹配，使該葉片具有優(yōu)良的氣動性能。

（2）葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計先進，具有優(yōu)良的強度、振動特性和易于安裝的工藝性。

（3）強度、振動及氣動試驗驗證表明，葉片有足夠的強度安全裕度，同時具有優(yōu)良經(jīng)濟性。

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