大型濕冷汽輪機(jī)1400 mm末級(jí)葉片開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)

王順德 周顯丁 曹守洪 范志飛

(東方汽輪機(jī)有限公司，四川618000)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，能源結(jié)構(gòu)政策調(diào)整和環(huán)境保護(hù)需要，發(fā)展高參數(shù)、大容量汽輪發(fā)電機(jī)組技術(shù)，改善在役機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性以及降低制造和電廠(chǎng)維護(hù)成本已非常迫切，而限制機(jī)組大容量化的主要因素之一就是末級(jí)葉片的長(zhǎng)度。公司緊跟時(shí)代步伐，在歷年積累的濕冷汽輪機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了適用于超超臨界大容量4F-1200 MW～1300 MW等級(jí)汽輪機(jī)鋼制1400 mm末級(jí)葉片，可推廣應(yīng)用于1F-220 MW～400 MW等級(jí)聯(lián)合循環(huán)汽輪機(jī)和 50 Hz超超臨界、超臨界、亞臨界2F-550 MW～900 MW等級(jí)凝汽式汽輪機(jī)。

鋼制1400 mm超長(zhǎng)末級(jí)葉片的開(kāi)發(fā)完成，完善了東汽末級(jí)長(zhǎng)葉片系列。東汽目前擁有的濕冷汽輪機(jī)3000 r/min鋼制末級(jí)長(zhǎng)葉片系列見(jiàn)表1所示。

本文介紹了鋼制1400 mm超長(zhǎng)末級(jí)葉片開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)特點(diǎn)、關(guān)鍵技術(shù)和氣動(dòng)強(qiáng)度振動(dòng)試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果。

1 鋼制1400 mm末級(jí)葉片結(jié)構(gòu)

鋼制1400 mm末級(jí)動(dòng)葉具有高離心力、大承載、大阻尼、高內(nèi)阻的顯著特點(diǎn)，1400 mm超長(zhǎng)末級(jí)動(dòng)葉的開(kāi)發(fā)成功，從低壓模塊葉片的各級(jí)通流匹配、末級(jí)葉片流道的全三維氣動(dòng)設(shè)計(jì)、葉片的強(qiáng)度及振動(dòng)設(shè)計(jì)、葉根與輪緣設(shè)計(jì)以及優(yōu)良的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面均達(dá)到世界先進(jìn)水平。末級(jí)葉片結(jié)構(gòu)采用斜置式樅樹(shù)型葉根、自鎖式圍帶及拉筋結(jié)構(gòu)，在葉片的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，對(duì)型線(xiàn)設(shè)計(jì)、葉根結(jié)構(gòu)、圍帶結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行開(kāi)拓式創(chuàng)新設(shè)計(jì)。鋼制1400 mm末級(jí)葉片結(jié)構(gòu)如圖1所示。

表1 濕冷汽輪機(jī)3000 r/min鋼制末級(jí)長(zhǎng)葉片系列Table 1 3000 r/min last stage blade series made by steel of wet cooling gas turbine

1.1 葉根結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鋼制1400 mm末級(jí)離心力巨大，工作狀況下單只葉片離心力達(dá)1000 t以上。為滿(mǎn)足動(dòng)葉片葉根強(qiáng)度安全性要求，采用遺傳算法優(yōu)化了葉根型線(xiàn)的各基本尺寸參數(shù)，解決了葉根輪槽部位的大承載、高應(yīng)力集中、載荷分配等問(wèn)題。圖2為鋼制1400 mm末級(jí)動(dòng)葉葉根結(jié)構(gòu)及各基本參數(shù)。

圖1 鋼制1400 mm末級(jí)葉片結(jié)構(gòu)Figure 1 Structure of 1400 mm last stage blade made by steel

圖2 鋼制1400 mm葉片葉根結(jié)構(gòu)Figure 2 Structure of 1400 mm blade bottom made by steel

圖3 厚窄型圍帶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Figure 3 Structure design of thick and narrow shroud

1.2 圍帶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鋼制1400 mm葉片圍帶結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是厚窄型圍帶設(shè)計(jì)，變間隙設(shè)計(jì)。寬度設(shè)計(jì)為窄型設(shè)計(jì)，在不削弱剛度強(qiáng)度的前提下，最大限度的減小寬度。使體積盡量小，降低了離心力；厚度設(shè)計(jì)為加厚型設(shè)計(jì)，提高了葉片圍帶的調(diào)頻質(zhì)量，優(yōu)化了末級(jí)葉片的調(diào)頻特性。圍帶變間隙設(shè)計(jì)改善了葉片升速過(guò)程中，葉片在離心載荷、氣流載荷和扭轉(zhuǎn)恢復(fù)的綜合作用下變形導(dǎo)致圍帶接觸狀況不良的缺點(diǎn)，極大的提高了葉片的接觸狀況。厚窄型圍帶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示。

2 材料選取

鋼制1400 mm末級(jí)葉片材料采用高強(qiáng)度合金鋼P(yáng)H13-8Mo，屈服強(qiáng)度達(dá)到1310 MPa。東汽目前1400 mm超長(zhǎng)末級(jí)葉片材料采用的是美國(guó)ATI公司的原材料板材，是采用雙真空冶煉的高純凈度馬氏體時(shí)效不銹鋼。它的突出特點(diǎn)是，除高強(qiáng)度外，還具有優(yōu)良的斷裂韌性，良好的橫向力學(xué)性能和在海洋環(huán)境中的耐應(yīng)力腐蝕性能。該材料廣泛應(yīng)用于航空航天中抗腐蝕的、高強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)件。

圖4 各截面疊合圖和三維成型圖Figure 4 Combined drawing of sections and three dimension modeling

(a)5%葉高(b)50%葉高(c)95%葉高圖5 不同葉高相對(duì)馬赫數(shù)分布Figure 5 Relative mach number distribution of different blade heights

3 1400 mm末級(jí)葉片氣動(dòng)性能

動(dòng)葉根部葉型采用優(yōu)化的收縮通道葉型，中上部葉型采用先進(jìn)的適合跨音速流動(dòng)的背弧斜切部分為直線(xiàn)的縮放通道葉型，實(shí)現(xiàn)了與相應(yīng)的馬赫數(shù)匹配最佳，具有良好的氣動(dòng)性能和變工況性能。圖4為動(dòng)葉各截面的疊合圖和三維成型圖。

葉型是在流型優(yōu)化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，采用最新的全三維粘性流場(chǎng)解析技術(shù)，分析了全三維流場(chǎng)特性，并根據(jù)計(jì)算分析結(jié)果，精調(diào)了葉型及成型規(guī)律，使全三維流場(chǎng)特性達(dá)到最佳。最終確定的葉型和成型規(guī)律，具有優(yōu)良的氣動(dòng)性能。

葉型相對(duì)葉高5%、50%和95%的相對(duì)馬赫數(shù)分布見(jiàn)圖5。

4 1400 mm末級(jí)葉片強(qiáng)度性能

采用最新強(qiáng)度解析技術(shù)和常規(guī)強(qiáng)度全面評(píng)估了鋼制1400 mm末級(jí)葉片的強(qiáng)度性能，得到的強(qiáng)度結(jié)果顯示滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。葉片各個(gè)部位的等效應(yīng)力均小于材料的屈服強(qiáng)度。葉身和葉根等效應(yīng)力分布如圖6所示。

(a)葉身(b)葉根圖6 等效應(yīng)力分布Figure 6 Equivalent stress distribution

5 成圈葉片的振動(dòng)性能

末級(jí)葉片通過(guò)連接件結(jié)構(gòu)在工作轉(zhuǎn)速下實(shí)現(xiàn)了葉片與葉片之間的制約機(jī)制，形成整圈聯(lián)接結(jié)構(gòu)(CCB)。采用經(jīng)過(guò)實(shí)際負(fù)荷試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證的三維有限元法(CAE)，同時(shí)考慮了氣動(dòng)彈性變形，對(duì)末級(jí)整圈葉片振動(dòng)頻率進(jìn)行了詳細(xì)分析。計(jì)算結(jié)果顯示在2820～3090 r/min的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)無(wú)三重點(diǎn)共振，振動(dòng)特性?xún)?yōu)良，見(jiàn)圖7。

圍帶結(jié)構(gòu)采用厚窄型圍帶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，圍帶厚度為加厚型設(shè)計(jì)，有效改善了超長(zhǎng)末級(jí)葉片存在的調(diào)頻空間較窄的缺點(diǎn)，提高了末級(jí)葉片的振動(dòng)安全性能。圍帶調(diào)頻特性對(duì)比見(jiàn)圖8。

圖7 整圈葉片頻率特性Figure 7 Frequency characteristics of continuously coupled blade

圖8 圍帶調(diào)頻特性對(duì)比Figure 8 Shroud tuned frequency characteristics contrast

圖9 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)整體模型Figure 9 Integral model of rotor system

圖10 部分耦合扭振振型圖Figure 10 Vibration shape of a part of coupled torsion vibration

6 1400 mm葉片軸系扭振安全性能

使用分層二重模態(tài)綜合法，對(duì)大型汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子-末級(jí)葉片耦合系統(tǒng)進(jìn)行軸系耦合扭振頻率分析及扭振動(dòng)響應(yīng)分析，并進(jìn)行安全性評(píng)判。轉(zhuǎn)子系統(tǒng)整體模型見(jiàn)圖9。圖10是計(jì)算得到的部分耦合扭振振型圖，諧響應(yīng)分析得到的葉片葉根倒角過(guò)渡部位的應(yīng)力見(jiàn)圖11，假定每年啟停30次和運(yùn)行8000 h的條件下，為了保證葉片安全性，設(shè)定葉片損耗到68%年份即為葉片壽命，評(píng)估可得最低壽命約為740年，表明鋼制1400 mm末級(jí)葉片與軸系的耦合扭振滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

圖11 扭振動(dòng)響應(yīng)葉型部位應(yīng)力及壽命評(píng)估圖Figure 11 Blade shape stress of torsion vibration response and life evaluation

7 氣動(dòng)、強(qiáng)度振動(dòng)性能試驗(yàn)驗(yàn)證

鋼制1400 mm末級(jí)動(dòng)葉開(kāi)發(fā)成功，離不開(kāi)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑囼?yàn)驗(yàn)證，對(duì)末級(jí)開(kāi)展試驗(yàn)主要有：超音速葉柵吹風(fēng)試驗(yàn)，葉根與輪槽平板應(yīng)力試驗(yàn)，葉根與輪緣平板模型拉斷試驗(yàn)。對(duì)鋼制1400 mm末級(jí)動(dòng)葉的氣動(dòng)、強(qiáng)度性能試驗(yàn)表明，該葉片氣動(dòng)性能優(yōu)良，葉片葉根結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)先進(jìn)，具有足夠的強(qiáng)度安全裕量。

7.1 超音速葉柵吹風(fēng)試驗(yàn)

對(duì)鋼制1400 mm末級(jí)動(dòng)、靜葉片典型截面的4套超音速平面葉柵分別進(jìn)行了試驗(yàn)件設(shè)計(jì)、加工和平面葉柵吹風(fēng)試驗(yàn)。通過(guò)平面葉柵吹風(fēng)試驗(yàn)，得到了氣流流經(jīng)葉片槽道時(shí)的葉片表面馬赫數(shù)分布、葉柵總壓損失系數(shù)、葉柵能量損失系數(shù)、葉柵出口氣流角等氣動(dòng)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為葉型的設(shè)計(jì)提供重要的氣動(dòng)參考數(shù)據(jù)，也進(jìn)一步驗(yàn)證了1400 mm末級(jí)葉片具有優(yōu)良的氣動(dòng)性能。葉柵紋影照片如圖12所示。

圖12 葉柵紋影照片F(xiàn)igure 12 Blade grid shadow

7.2 葉根與輪槽平板應(yīng)力試驗(yàn)

鋼制1400 mm末級(jí)葉片葉根輪緣應(yīng)力試驗(yàn)采用全尺寸型線(xiàn)的薄板模型，研究葉根特征截面的應(yīng)力。試驗(yàn)件與產(chǎn)品型線(xiàn)比例為1∶1。為了掌握工作狀態(tài)下動(dòng)葉片葉根、輪緣部位的應(yīng)力分布，對(duì)葉片葉根輪槽型線(xiàn)進(jìn)行薄板應(yīng)力測(cè)試試驗(yàn)，試驗(yàn)中葉根應(yīng)力測(cè)量部位及試驗(yàn)得到的結(jié)果見(jiàn)圖13。

7.3 葉根與輪緣平板模型拉斷試驗(yàn)

為了確定葉根與葉輪輪緣的極限載荷、驗(yàn)證應(yīng)力計(jì)算結(jié)果以及掌握葉根和輪緣的薄弱位置，特別進(jìn)行了平板模型強(qiáng)度拉斷試驗(yàn)研究。鋼制1400 mm葉片葉根與輪緣應(yīng)變測(cè)試結(jié)果如圖14所示。試驗(yàn)結(jié)果表明：工作狀況下1400 mm末級(jí)葉片葉根強(qiáng)度有足夠的安全裕度。

圖13 葉片葉根與輪緣應(yīng)變測(cè)試與結(jié)果Figure 13 Testing result of blade root and flange strain

圖14 鋼制1400 mm葉片葉根與輪緣應(yīng)變測(cè)試結(jié)果Figure 14 Strain testing result of 1400 mm steel blade root and flange

7.4 整圈動(dòng)調(diào)頻試驗(yàn)

新開(kāi)發(fā)的末級(jí)葉片一般都要經(jīng)過(guò)動(dòng)調(diào)頻試驗(yàn)以確保葉片在2820～3090 r/min區(qū)間內(nèi)無(wú)三重點(diǎn)共振。

8 葉片防水蝕措施

鋼制1400 mm末級(jí)葉片采用的防水蝕措施為葉頂進(jìn)汽邊激光熔覆合金粉。該防水蝕措施具有優(yōu)良的抗疲勞及抗應(yīng)力腐蝕性能，運(yùn)行安全可靠。在葉片毛坯表面上放置合金材料，經(jīng)激光輻照使合金粉與葉片毛坯表面一薄層同時(shí)熔化，并快速凝固后形成表面涂層，從而顯著改善葉片表面的抗疲勞和抗應(yīng)力腐蝕性能。

9 結(jié)論

鋼制1400 mm末級(jí)葉片是一只先進(jìn)的、高效的、安全可靠的、適用于大型濕冷汽輪機(jī)的專(zhuān)用汽輪機(jī)末級(jí)葉片，該葉片不僅具有先進(jìn)的葉片結(jié)構(gòu)，

而且其氣動(dòng)性能優(yōu)良、強(qiáng)度振動(dòng)性能可靠，得到了相關(guān)的氣動(dòng)和強(qiáng)度振動(dòng)試驗(yàn)驗(yàn)證。

鋼制1400 mm鋼制超長(zhǎng)末級(jí)葉片的研制不僅滿(mǎn)足了大容量機(jī)組對(duì)末級(jí)長(zhǎng)葉片的需要，完善了公司末級(jí)葉片系列，提高了公司的綜合實(shí)力和品牌效應(yīng)。

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