CN105401982B - 半转速核电汽轮机用末级动叶片叶身结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半转速核电汽轮机用末级动叶片叶身结构，叶身由若干特征截面按特定规律迭合而成，特征截面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；迭合规律是沿叶高方向自根端向顶端各截面连续平滑过渡递减，叶高H相对值由0.0单调增加到1.0，对应的，安装角c1绝对值由81°减小到10.7°，弦长b1相对值从根截面到顶截面由1.76单调减小到1.0，最大厚度w1相对值从根截面到顶截面由5.43单调减小到1.0，轴向宽度Xa相对值从根截面到顶截面由8.86单调减小到1.0，截面积A相对值从根截面到顶截面由8.7单调减小到1.0。

Description

半转速核电汽轮机用末级动叶片叶身结构

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的叶身结构。

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。

综上所述，为了提高我国核电主流汽轮机、尤其是上述三款汽轮机的做功效率，提高性价比，在激烈的市场竞争中提升竞争力，有必要针对我国核电主流汽轮机、尤其是上述三款汽轮机的设计特性，开发与之相匹配的末级动叶片。

然而，叶片开发的关键核心在于叶身型线结构的设计，叶身型线结构的设计水平高低，将直接决定着叶片的气动性能、以及叶片在汽轮机上应用的通流经济性。有鉴于此，亟待针对我国核电主流汽轮机所需的匹配末级动叶片，设计出具有针对性的叶身型线结构。

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，自主研发一种半转速核电汽轮机用末级动叶片叶身结构，该叶身结构所成型的出气道高度≤1651mm的末级动叶片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。

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叶身结构，所述叶身为变截面扭曲型线，由若干特征截面按一特定规律迭合而成，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、弦长b1、最大厚度w1、轴向宽度Xa、截面积A；所述特征截面的迭合规律是沿叶身高度方向自根端向顶端各截面连续递减，平滑过渡，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81°单调减小到10.7°，弦长b1的相对值从根截面到顶截面由1.76单调减小到1.0，最大厚度w1的相对值从根截面到顶截面由5.43单调减小到1.0，轴向宽度Xa的相对值从根截面到顶截面由8.86单调减小到1.0，截面积A的相对值从根截面到顶截面由8.7单调减小到1.0。

所述叶身由25个轮廓形状不同的特征截面沿叶身高度方向叠合、且平滑过渡构成，其中有三个是关键截面，分别为4.59％H处的B-B截面、51.07％H处的L-L截面和98.49％H处的X-X截面；所述三个关键截面的理论轮廓线分别用如下28个离散点的坐标(X、Y)描述，将各关键截面的28个离散点平滑连接起来，即得对应关键截面的理论轮廓线：

所述叶身的各特征截面的轮廓线许有公差带，所述公差带的范围为：以对应特征截面的理论轮廓线的离散点为圆心，半径为0.5mm作包络圆所形成的轮廓形状范围以内。

所述叶身的高度H≤1651mm。

本发明的有益效果是：本发明自主研发而成，叶身各截面的气动性能优良，沿叶身高度方向的面积变化合理，叶身特征截面高阶光顺，亚音、跨音、超音速的流动特性优异；以此叶身结构为基础能够设计出气道高度≤1651mm的汽轮机末级动叶片，叶片的叶身应力小，满足现有材料的强度规范结构要求；以此叶身所成型叶片能够适应于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做功效率和性价比，在激烈的市场竞争中稳定、显著的提升市场竞争力。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1是本发明叶身的一种结构示意图。

图2是图1的俯视图。

图3是图1、图2中叶身截面的特征示意图。

图4是包括图3所示叶身截面在内的各截面叠合图。

具体实施方式

本发明为半转速核电汽轮机用末级动叶片的叶身结构，它要解决的技术问题及采取的技术措施是：

一.叶型特性参数设计

基于工程所需边界条件，确定本套叶型的排气速度范围为200～250m/s，使用根径的范围为2800～3200mm，最大排气面积为24.1m²，有效的叶身高度≤1651mm，最大使用马赫数＜2.0。

采用流线曲率法完成低压模块的通流匹配，确定本套叶型的基本特性参数，几何进气角的范围为50～169°，有效几何角的范围为40.4～10°。

二.叶型设计

本套叶片的叶身型线采用叶型专用三维造型软件获得特征截面25个，根据强度设计要求修改各截面的面积变化规律，得到满足强度要求的叶型面积分布。采用全三元CFD分析软件对叶片级进行气动分析，根据叶片级的流动特点，局部调整叶型的轮廓线，获得满足根部亚音速流动、中部跨音速流动、顶部超音速流动的各叶型截面。

三.叶型优化

采用高阶Bezier曲线及三阶C样条曲线对本套叶型的25个特征截面进行了型线光顺和局部修型，采用全三元优化软件Design3D对动叶各截面型线进行气动性能优化，获得几何上高阶光顺的的各特征截面，同时气动特性优良。

四.叶型特征

半转速核电汽轮机用末级动叶片的叶身为变截面扭曲型线，叶身的安装角、弦长、最大厚度、轴向宽度及截面积由根部到顶部平滑过渡，具体外形轮廓结构见图1和图2所示。具体的，该叶身由若干特征截面按一特定规律迭合而成，具有特征参数叶身高度H，叶身高度H≤1651mm；每个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；这些特征截面的迭合规律是，沿叶身高度方向自根端向顶端各截面连续递减，平滑过渡，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81°减小到10.7°，弦长b1的相对值从根截面到顶截面由1.76单调减小到1.0，最大厚度w1的相对值从根截面到顶截面由5.43单调减小到1.0，轴向宽度Xa的相对值从根截面到顶截面由8.86单调减小到1.0，截面积A的相对值从根截面到顶截面由8.7单调减小到1.0。

参见图1至图4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；

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。

五.叶型关键截面

参见图1和图4所示，本套叶片的叶身型线由25个轮廓形状不同的特征截面沿叶身高度H的方向叠合、且平滑过渡构成，各特征截面由根部到顶部的排列顺序为1～25。其中，有三个是关键截面，分别为4.59％H处的B-B截面、51.07％H处的L-L截面和98.49％H处的X-X截面，这三个关键截面在叶身型线上的相对高度见表1所示；B-B截面在25个特征截面中的排序为2，L-L截面在25个特征截面中的排序为13，X-X截面在25个特征截面中的排序为24。这三个关键截面的理论轮廓线分别用28个离散点的坐标(X、Y)描述，将各关键截面的28个离散点平滑连接起来，即得对应关键截面的理论轮廓线，这三个关键截面的控制点坐标具体见表2所示。

表1 三个关键截面在叶身型线上的相对高度

表2 三个关键截面的控制点坐标数据

本发明各特征截面的实际尺寸许有公差带，该公差带的范围为：以对应特征截面的理论轮廓线的离散点为圆心，半径为0.5mm作包络圆所形成的轮廓形状尺寸的范围以内；还可以是，以理论轮廓线为基准，通过相似模化或旋转或平移所得到的形状尺寸的范围以内。

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 (4)

1.一种半转速核电汽轮机用末级动叶片叶身结构，所述叶身结构是由若干特征截面按一定规律扭转叠合而成的异形体，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、弦长b1、最大厚度w1、轴向宽度Xa、截面积A；其特征在于，所述特征截面的叠合规律是沿叶身高度方向自根端向顶端连续，平滑过渡，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81°单调减小到10.7°，弦长b1的相对值从根截面到顶截面由1.76单调减小到1.0，最大厚度w1的相对值从根截面到顶截面由5.43单调减小到1.0，轴向宽度Xa的相对值从根截面到顶截面由8.86单调减小到1.0，截面积A的相对值从根截面到顶截面由8.7单调减小到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叶身结构，其特征在于，所述叶身结构由25个轮廓形状不同的特征截面沿叶身高度方向叠合、且平滑过渡构成，其中有三个关键截面，分别为4.59％叶身高度H处的B-B截面、51.07％叶身高度H处的L-L截面和98.49％叶身高度H处的X-X截面；所述三个关键截面的理论轮廓线分别用如下28个离散点的坐标(X、Y)描述，将各关键截面的28个离散点平滑连接起来，即得对应关键截面的理论轮廓线：

3.根据权利要求2所述半转速核电汽轮机用末级动叶片叶身结构，其特征在于，所述叶身结构的各特征截面的轮廓线许有公差带，所述公差带的范围为：以对应特征截面的理论轮廓线的离散点为圆心，半径为0.5mm作包络圆所形成的轮廓形状范围以内。

4.根据权利要求1所述半转速核电汽轮机用末级动叶片叶身结构，其特征在于，所述叶身结构的叶身高度H≤1651mm。