CN105386795A - 一种半转速核电汽轮机用末级动叶片 - Google Patents

Abstract

一种半转速核电汽轮机用末级动叶片，其叶身是由若干特征截面按一特定规律迭合而成的异形体，特征截面具有特征参数安装角c1、轴向宽度Xa、弦长b1、最大厚度w1和截面积A，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；叶身的有效高度为H=1651mm、根径为Dr=3000mm；叶高H的相对值由0.0单调增加到1.0，对应的，安装角c1的绝对值由80.99°单调减小到13.4°，截面积A的相对值从根截面到顶截面的变化规律为：6.2≥A≥1.0，轴向宽度Xa的相对值从根截面到顶截面的变化规律为：7.26≥Xa≥1.0，弦长b1的相对值从根截面到顶截面的变化规律为：1.64≥b1≥1.0，最大厚度w1的相对值从根截面到顶截面的变化规律为：3.31≥w1≥1.0。

Description

一种半转速核电汽轮机用末级动叶片

技术领域

本发明涉及汽轮机末级动叶片，具体是一种半转速核电汽轮机用末级动叶片。

背景技术

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。

近年来，积极推进核电建设成为我国的一项重要战略，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，实现我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，提升我国综合经济实力、工业技术水平和国际地位，都具有重要的意义。截止目前，我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，我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，核电在我国的远景规划中将有更大的发展空间。

汽轮机是核电厂的主力设备之一。我国自主研发的AP1000机型（1250MW等级）已成为我国标准的第三代核电机型，其无论在沿海、还是内陆（背压5.5～7KPa）均拥有潜在的最大市场。相较AP1000机型而言，我国自主研发的功率稍小的ACP1000（背压约6～7KPa）和ACPR1000机型也在核电领域具有潜在的市场，尤其是ACP1000机型出口国外已提到议事日程。然而，制约我国核电汽轮机（尤其是上述三款机型）大力发展、推广步伐的技术关键点在于匹配的末级动叶片。

本领域内的技术人员众所周知，安装于汽轮机转轴上的末级动叶片是汽轮机中的重要关键部件，其因涉及的技术面广、技术含金量高而成为汽轮机设计中的核心技术，尤其是，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。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，尤其是末级动叶片更为突出。末级动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，汽轮机末级的长动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。先进的末级长动叶片技术是制造商的核心技术，对外高度保密，一般不会轻易转让，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动叶片系列。

目前，我国核电主流汽轮机常用的末级动叶片为57英寸的半转速末级动叶片（国外引进技术）和1828mm的半转速末级动叶片（自主研发技术）。然而，这些末级动叶片无法与我国核电主流汽轮机、尤其是上述三款汽轮机的设计要求相匹配，导致汽轮机的做功效率相对低下，性价比不高，这在激烈的市场竞争中，使得我国核电主流汽轮机处于竞争劣势，影响了大力发展、推广步伐，不利于走出国门。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对上述现有技术的不足，自主研发一种能够匹配我国目前核电主流汽轮机机型、尤其是能够匹配AP1000机型、ACP1000机型和ACPR1000机型的半转速核电汽轮机用末级动叶片。

本发明所采用的技术方案是，一种半转速核电汽轮机用末级动叶片，具有整体结构的叶身、叶根、围带、凸台拉筋，所述叶根位于叶身的根部，所述围带位于叶身的顶部，所述凸台拉筋位于叶身的腰部；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，具有特征参数叶身高度H；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、轴向宽度Xa、弦长b1、最大厚度w1和截面积A；所述特征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；所述叶身高度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13.4°，截面积A的相对值从根截面到顶截面的变化规律为：6.2≥A≥1.0，轴向宽度Xa的相对值从根截面到顶截面的变化规律为：7.26≥Xa≥1.0，弦长b1的相对值从根截面到顶截面的变化规律为：1.64≥b1≥1.0，最大厚度w1的相对值从根截面到顶截面的变化规律为：3.31≥w1≥1.0。

所述叶根为四齿斜齿形枞树型叶根，具有特征参数轴向宽度B，且满足关系式：

400mm≤B≤550mm；

所述叶根的中心线与X轴的水平夹角为D2，且满足关系式：

4°≤D2≤20°。

所述凸台拉筋的截面轮廓形状为椭圆形，由背弧工作面S2、内弧工作面P2围成，具有特征参数厚度W2、宽度V2；所述工作面S2和P2为相互平行的平面，S2和P2之间的距离为A2，S2和P2几何中心之间的距离为T2；

所述凸台拉筋的厚度W2满足关系式：

15mm≤W2≤35mm；

所述凸台拉筋的宽度V2满足关系式：

10mm≤V2≤60mm；

所述凸台拉筋的轮廓中轴线与水平面的夹角为X2，X2满足关系式：

3°≤X2≤28°；

所述凸台拉筋的工作面与X轴的夹角为B2，B2满足关系式：

A2=T2*COSB2，且25°≤B2≤55°；

所述凸台拉筋的工作面与相邻面的拔模角度为C2，C2满足关系式：

1°≤C2≤8°。

所述凸台拉筋在叶身腰部的位置高度Lj满足关系式：

0.45＜Lj/H＜0.75。

所述围带具有特征参数背弧工作面S1、内弧工作面P1、厚度H1；所述工作面S1和P1为相互平行的平面，S1和P1之间的距离为A1，S1和P1几何中心之间的距离为T1，在转速N1转/分时，围带背弧工作面S1与相邻叶片围带的内弧工作面P1接触，产生压应力F1；

所述围带的厚度H1满足关系式：

10mm＜H1＜35mm；

所述围带的工作面与X轴的夹角为B1，B1满足关系式：

A1=T1*COSB1，且25°≤B1≤55°；

所述相邻叶片的围带接触转速N1满足关系式：

0≤N1≤1000转/分；

所述围带工作面的压应力F1满足关系式：

0.01＜F1≤0.05倍材料的强度极限。

所述叶身的有效高度为H=1651mm，根径为Dr=3000mm。

本发明的有益效果是：

1.本发明自主研发而成，其等级为1651mm、最大排汽面积为24.12m²，具有良好的动态性能，气动性能好，能够适应于1500rpm核电低压四排汽1250MW等级的凝汽式汽轮机，也就是能够匹配并满足我国目前核电主流汽轮机机型（尤其是AP1000机型、ACP1000机型和ACPR1000机型）的设计参数，有助于完善我国自主化核电末级动叶片的系列，进而可靠提高我国目前核电主流汽轮机的市场竞争力；

2.本发明的凸台拉筋在额定转速时，相邻叶片的凸台拉筋工作面接触形成合适的压应力，有效增强了叶片的阻尼，大幅度降低了叶片的动应力，同时提高了叶片的刚性，刚性和阻尼特性好，有利于可靠地增强叶片的结构强度；

3.本发明的围带结构在叶片工作时较大地限制了叶顶的扭转恢复，进而使叶片在工作转速下能够可靠地形成整圈结构，有利于增强叶片的刚性，进一步提升了叶片的结构强度；

4.本发明的叶根结构使得叶片与汽轮机的转子形成牢固、稳定地结合，而且便于在转子上简便、快捷地装配，实用性强。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1是本叶片的一种结构示意图。

图2是图1的俯视图。

图3是凸台拉筋的结构图。

图4是围带的结构图。

图5是叶身截面的结构图。

图6是叶根的结构图。

图7是图6的D1向视图。

具体实施方式

参见图1，本半转速核电汽轮机用末级动叶片，具有整体结构的叶身1、叶根2、围带3、凸台拉筋4，所述叶根2位于叶身1的根部，所述围带3位于叶身1的顶部，所述凸台拉筋4位于叶身1的腰部。

本叶片采用合适的高强度合金钢材料成型，通过叶根2安装在汽轮机转轴外圆的叶轮槽中，每圈轮槽安装76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1250MW等级的核电半转速汽轮机为例，对本发明详细说明，此机最适宜的设计背压为6kPa，在此设计背压范围内，最终方案确定的末级动叶片的叶身有效高度H为1651mm，根径Dr为3000mm，其环形面积为24.1m²，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7所示，本发明的主要相关变量定义如下：

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；

c1为安装角，即弦长与周向（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；

Xa为轴向宽度，即叶身截面的轴向宽度；

B叶根的轴向宽度；

D2为叶根的中心线与X轴的水平夹角；

H1为围带的厚度；

S1为围带的背弧工作面；

P1为围带的内弧工作面；

A1为背弧工作面S1和内弧工作面P1之间的距离；

T1为背弧工作面S1和内弧工作面P1几何中心之间的距离；

F1为围带背弧工作面S1与相邻叶片围带的内弧工作面P1接触产生的压应力；

B1为围带的工作面与X轴的夹角；

Lj为凸台拉筋的高度；

S2为凸台拉筋的背弧工作面；

P2为凸台拉筋的内弧工作面；

W2为凸台拉筋的厚度；

V2为凸台拉筋的宽度；

A2为背弧工作面S2和内弧工作面P2之间的距离；

T2为背弧工作面S2和内弧工作面P2几何中心之间的距离；

X2为凸台拉筋的轮廓中轴线与水平面的夹角；

B2为凸台拉筋的工作面与X轴的夹角；

C2为凸台拉筋的工作面与相邻面的拔模角度。

一．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，设计了本末级动叶片沿叶高各截面的基本叶身要素及安装位置，沿叶高各基本叶型的特征是：根部叶型采用优化的收缩通道叶型、中上部叶型采用先进的适合跨音速流动的背弧斜切部分为直线的缩放通道叶型，与相应的马赫数相适应。叶身是由若干特征截面按一特定规律迭合而成的异形体，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，叶身的横截面积自根端向顶端沿高度方向单调减小，各截面连续光滑过渡，呈塔形变化，叶身的有效高度为H=1651mm，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13.4°，截面积A的相对值（顶截面为1.0）从根截面到顶截面的变化规律为：6.2≥A≥1.0，轴向宽度Xa的相对值（顶截面为1.0）从根截面到顶截面的变化规律为：7.26≥Xa≥1.0，弦长b1的相对值（顶截面为1.0）从根截面到顶截面的变化规律为：1.64≥b1≥1.0，最大厚度w1的相对值（顶截面为1.0）从根截面到顶截面的变化规律为：3.31≥w1≥1.0。基本叶型沿叶片高度方向单调扭转成型，基本叶型的出口几何角沿叶片高度方向单调可控地减小。

二．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的位置设置了凸台拉筋结构，凸台拉筋的高度Lj满足关系式：0.45＜Lj/H＜0.75；凸台拉筋的厚度W2满足关系式：15mm≤W2≤35mm；凸台拉筋的宽度V2满足关系式：10mm≤V2≤60mm。凸台拉筋的截面为椭圆形，其具有背弧工作面S2和内弧工作面P2，背弧工作面S2和内弧工作面P2为相互平行的平面，背弧工作面S2和内弧工作面P2之间的距离为A2，背弧工作面S2和内弧工作面P2几何中心之间的距离为T2。凸台拉筋的内弧工作面P2（由于二者平行，所以，也可以是背弧工作面S2）与汽轮机转子中轴线X轴的夹角为B2，B2满足关系式：A2=T2*COSB2，且25°≤B2≤55°。凸台拉筋的背弧工作面S2（由于二者平行，所以，也可以是内弧工作面P2）与相邻面的拔模角度为C2，C2满足关系式：1°≤C2≤8°。凸台拉筋的轮廓中轴线与水平面的夹角为X2，X2满足关系式：3°≤X2≤28°。

本发明凸台拉筋结构的功能是在额定转速时，工作面接触相邻叶片凸台拉筋的工作面形成合适的压应力，增加叶片的阻尼，大幅度降低叶片动应力，同时提高叶片的刚性。

三．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具有厚度H1，围带的厚度H1满足关系式：10mm＜H1＜35mm。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，该围带具有背弧工作面S1和内弧工作面P1，背弧工作面S1和内弧工作面P1为相互平行的平面，背弧工作面S1和内弧工作面P1之间的距离为A1，背弧工作面S1和内弧工作面P1几何中心之间的距离为T1，在约转速N1转/分时，围带背弧工作面S1与相邻叶片围带的内弧工作面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，工作面的压应力F1满足关系式：0.01＜F1≤0.05倍材料的强度极限。围带的内弧工作面P1（由于二者平行，所以，也可以是背弧工作面S1）与汽轮机转子中轴线X轴的夹角为B1，B1满足关系式：A1=T1*COSB1，且25°≤B1≤55°。

围带在叶片工作时增加叶片的刚性，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，大幅度降低叶片的动应力。

四．叶根结构设计

叶根的设计为大承载的斜齿枞树型叶根结构，其齿数为四齿，它具有承载离心力大于800KN的能力。该叶根结构能够使叶片与汽轮机转子结合牢固、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，D2满足关系式：4°≤D2≤20°；叶根的轴向宽度为B，B满足关系式：400mm≤B≤550mm。

以上具体技术方案仅用以说明本发明，而非对其限制。尽管参照上述具体技术方案对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对上述具体技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明的精神和范围。

Claims (5)

1.一种半转速核电汽轮机用末级动叶片，具有整体结构的叶身、叶根、围带、凸台拉筋，所述叶根位于叶身的根部，所述围带位于叶身的顶部，所述凸台拉筋位于叶身的腰部；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，具有特征参数叶身高度H；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、轴向宽度Xa、弦长b1、最大厚度w1和截面积A；其特征在于，所述特征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；所述叶身高度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13.4°，截面积A的相对值从根截面到顶截面的变化规律为：6.2≥A≥1.0，轴向宽度Xa的相对值从根截面到顶截面的变化规律为：7.26≥Xa≥1.0，弦长b1的相对值从根截面到顶截面的变化规律为：1.64≥b1≥1.0，最大厚度w1的相对值从根截面到顶截面的变化规律为：3.31≥w1≥1.0。

2.根据权利要求1所述半转速核电汽轮机用末级动叶片，其特征在于，所述叶根为四齿斜齿形枞树型叶根，具有特征参数轴向宽度B，且满足关系式：

400mm≤B≤550mm；

所述叶根的中心线与X轴的水平夹角为D2，且满足关系式：

4°≤D2≤20°。

3.根据权利要求1所述半转速核电汽轮机用末级动叶片，其特征在于，所述凸台拉筋的截面轮廓形状为椭圆形，由背弧工作面S2、内弧工作面P2围成，具有特征参数厚度W2、宽度V2；所述工作面S2和P2为相互平行的平面，S2和P2之间的距离为A2，S2和P2几何中心之间的距离为T2；

所述凸台拉筋的厚度W2满足关系式：

15mm≤W2≤35mm；

所述凸台拉筋的宽度V2满足关系式：

10mm≤V2≤60mm；

所述凸台拉筋的轮廓中轴线与水平面的夹角为X2，X2满足关系式：

3°≤X2≤28°；

所述凸台拉筋的工作面与X轴的夹角为B2，B2满足关系式：

A2=T2*COSB2，且25°≤B2≤55°；

所述凸台拉筋的工作面与相邻面的拔模角度为C2，C2满足关系式：

1°≤C2≤8°；

所述凸台拉筋在叶身腰部的位置高度Lj满足关系式：

0.45＜Lj/H＜0.75。

4.根据权利要求1所述半转速核电汽轮机用末级动叶片，其特征在于，所述围带具有特征参数背弧工作面S1、内弧工作面P1、厚度H1；所述工作面S1和P1为相互平行的平面，S1和P1之间的距离为A1，S1和P1几何中心之间的距离为T1，在转速N1转/分时，围带背弧工作面S1与相邻叶片围带的内弧工作面P1接触，产生压应力F1；

所述围带的厚度H1满足关系式：

10mm＜H1＜35mm；

所述围带的工作面与X轴的夹角为B1，B1满足关系式：

A1=T1*COSB1，且25°≤B1≤55°；

所述相邻叶片的围带接触转速N1满足关系式：

0≤N1≤1000转/分；

所述围带工作面的压应力F1满足关系式：

0.01＜F1≤0.05倍材料的强度极限。

5.根据权利要求1所述半转速核电汽轮机用末级动叶片，其特征在于，所述叶身的有效高度为H=1651mm，根径为Dr=3000mm。