CN112580164B - 核电汽轮机低压长叶片设计方法 - Google Patents

核电汽轮机低压长叶片设计方法 Download PDF

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Abstract

一种核电汽轮机低压长叶片设计方法，属于汽轮机叶片设计技术领域。本发明为解决现有核电汽轮机低压长叶片的设计流程不能对各种影响因素进行全面的考量，导致效率低并且安全性差的问题。包括：核电低压长叶片的热力及气动设计，机械设计，对叶型设计结果和机械设计结果设计审查；审查结果合格后再进行工艺设计，再对工艺设计结果进行工艺审查，审查结果合格后进行气动性能试验和安全性考核试验，再进行试验审查，直至审查结果合格，进行核电低压长叶片的运行试验，将运行试验结果反馈至步骤一，重新进行核电低压长叶片的热力及气动设计，直至运行试验结果满足所述运行要求，完成核电低压长叶片的设计。本发明用于指导核电低压长叶片设计。

Description

核电汽轮机低压长叶片设计方法
技术领域
本发明涉及核电汽轮机低压长叶片设计方法，属于汽轮机叶片设计技术领域。
背景技术
随着核电汽轮机容量的增大，需要开发更长的低压末级叶片。长叶片的设计和制造是一个极其复杂的系统工程，不仅在热力、气动、造型设计以及强度、振动分析方面需要精细研究和设计，还需要考虑叶片材料、加工制造以及叶片频率调整等多方面因素，并且这些影响因素存在互相制约和矛盾的关系。为此，长叶片设计水平标志着机械工业的发展水平。
目前，核电汽轮机低压长叶片的设计仍缺乏行之有效的设计流程，亟需一种全面、严谨的核电汽轮机长叶片实证设计体系和方法，以获得更为高效，安全的核电汽轮机长叶片。
发明内容
针对现有汽轮机核电低压长叶片的设计流程不能对各种影响因素进行全面的考量，导致效率低并且安全性差的问题，本发明提供一种核电汽轮机低压长叶片设计方法。
本发明的一种核电汽轮机低压长叶片设计方法，包括，
步骤一：根据运行要求，进行核电低压长叶片的热力及气动设计，包括叶型设计和气动设计；
步骤二：根据所述气动设计结果进行核电低压长叶片的机械设计，包括进行静动强度计算、静动频率计算、颤振计算、水蚀计算、长叶片扭转恢复计算和轴系扭振计算；
步骤三：对所述叶型设计结果和机械设计结果进行设计审查，若审查结果不合格，将审查结果反馈至步骤一，重新进行核电低压长叶片的热力及气动设计，直至审查结果合格；
步骤四：根据所述叶型设计结果和机械设计结果进行核电低压长叶片的工艺设计，包括将满足要求的热力及气动设计结果转换为多种核电低压长叶片二维设计图，并根据多种核电低压长叶片二维设计图编制叶片加工工艺路线；
步骤五：对工艺设计结果进行工艺审查，若审查结果不合格，将审查结果反馈至步骤一，重新进行核电低压长叶片的热力及气动设计，直至审查结果合格；
步骤六：对工艺设计结果进行气动性能试验和安全性考核试验；所述气动性能试验包括叶栅吹风试验和排汽缸吹风试验；所述安全性考核试验包括静频测试、动调频测试、颤振试验、强度试验、模型叶片试验和实物叶片试验；
步骤七：对气动性能试验和安全性考核试验结果进行试验审查，若审查结果不合格，将审查结果反馈至步骤一，重新进行核电低压长叶片的热力及气动设计，直至审查结果合格；
步骤八：对试验审查结果为合格的核电低压长叶片进行运行试验，包括长叶片动应力试验和叶片在线监测试验，若运行试验结果不满足所述运行要求，将运行试验结果反馈至步骤一，重新进行核电低压长叶片的热力及气动设计，直至运行试验结果满足所述运行要求，完成核电低压长叶片的设计。
根据本发明核电汽轮机低压长叶片设计方法，步骤一中，所述叶型设计包括二维造型设计，设计方法包括：
选择可参考成熟叶片作为参照，对核电低压长叶片进行等转速或变转速模化设计，使模化后获得的核电低压长叶片气动性能和安全性与可参考成熟叶片一致；
所述气动设计包括：根据可参考成熟叶片的流场计算结果对模化后获得的核电低压长叶片进行叶型修改和优化：
将模化后核电低压长叶片沿叶高等分为9-11个截面，对每一个截面分别进行型线优化设计，通过微量调整叶片型线达到预设气动性能，获得优化后核电低压长叶片，并进行最终流场计算，获得流场计算结果。
根据本发明核电汽轮机低压长叶片设计方法，步骤二中，根据流场计算结果进行核电低压长叶片的机械设计包括：
叶片静强度计算：对优化后核电低压长叶片的叶型、叶根和轮缘进行静强度计算；所述静强度计算包括离心拉应力和蒸汽弯应力计算；获得静强度计算结果；
动强度计算：根据流场计算结果，使用有限元分析方法对叶型、叶根和轮缘进行动应力计算，考核流场不均匀性对叶片动应力的影响，获得动强度计算结果；
静频率计算：基于有限元计算方法，获得单只优化后核电低压长叶片静频率计算结果；再基于所述静频率计算结果采用有限元计算方法，进行整圈核电低压长叶片静频计算，获得整圈静频率计算结果；
动频率计算：基于有限元计算方法，计算优化后核电低压长叶片的共振频率；
颤振计算：基于能量法，采用流固耦合算法，对优化后核电低压长叶片气弹性耦合作用进行仿真计算；再在叶片结构场的模态分析基础上，将优化后核电低压长叶片各个模态振型采用三维流场计算模块，计算优化后核电低压长叶片振动位移；三维流场计算模块对优化后核电低压长叶片在气弹性耦合作用下，一个振动周期的能量耗散值进行计算；所述颤振计算包括优化后核电低压长叶片在30％以下低负荷工况，前三阶的振动特性；
水蚀计算：根据核电低压长叶片的湿蒸汽区工作环境，对受到水滴侵蚀的水蚀率根据水滴尺寸、水滴含量、水滴速度以及侵蚀区域给出约束条件，获得水蚀率计算结果；
长叶片扭转恢复计算：计算核电低压长叶片沿叶高等分的各个截面的扭转恢复角；
轴系扭振计算：计算核电低压长叶片零节径数的频率值，并进行调整，直到使叶片轴系与转子转速倍频不会产生扭转共振；再基于零节径数的频率值计算获得轴系扭振频率。
根据本发明核电汽轮机低压长叶片设计方法，对所述叶型设计结果和机械设计结果进行设计审查以及步骤一中重新进行核电低压长叶片的热力及气动设计包括：
将静强度计算结果与静强度考核阈值进行比较，若超出考核阈值，将静强度计算结果反馈至步骤一；步骤一根据运行要求，结合修改叶型弦长、根截面叶型宽度、调整叶型重心位置和叶根结构尺寸的方式，进行降低静强度的设计；
将动强度计算与动强度考核阈值进行比较，若超出考核阈值，将动强度计算结果反馈至步骤一；步骤一根据运行要求，结合优化流场计算，减小流场不均匀性；或修改叶片结构，增加叶片耐振强度的方式，进行降低动强度的设计；
将整圈静频率计算结果反馈至步骤一，指导核电低压长叶片加工制造的合格率和分散度，使核电低压长叶片的整圈静频率计算结果在预设范围内波动；
将优化后核电低压长叶片的共振频率反馈至步骤一；步骤一根据运行要求，使核电低压长叶片共振频率的前三阶频率避开谐波数9以内的共振；并对核电低压长叶片的围带厚度和拉筋尺寸预留调整余量；
在能量耗散值在负值时，将能量耗散值计算结果反馈至步骤一，步骤一根据运行要求，对核电低压长叶片进行调整；
将水蚀率计算结果与设定水蚀率进行比较，若超过设定水蚀率，则将水蚀率计算结果反馈至步骤一，步骤一根据运行要求，对核电低压长叶片进汽边前采用激光固溶强化或加焊司太立合金片的设计；
将各个截面的扭转恢复角反馈至步骤一，步骤一根据运行要求，基于扭转恢复角调整核电低压长叶片的气动设计；
将轴系扭振频率与设定扭振频率进行比较，若超过设定扭振频率，将轴系扭振频率计算结果反馈至步骤一，步骤一根据运行要求，对核电低压长叶片的一阶轴系振动频率采用改变沿叶高叶型面积和刚度的方法调整，对核电低压长叶片的二阶轴系频率通过改变60-70％叶高处叶型抗弯刚度的方法调整。
根据本发明核电汽轮机低压长叶片设计方法，步骤四中，所述多种核电低压长叶片二维设计图包括叶片型线图、围带型线图、叶根型线图、叶片施工图、连接件图以及叶片装配图，所述二维设计图中标注叶片结构尺寸和公差带；
编制叶片加工工艺路线包括根据叶片各个相关零部件的关联性和装配顺序对二维设计图进行加工工艺路线的编制。
根据本发明核电汽轮机低压长叶片设计方法，步骤五中，进行工艺审查包括，审查二维设计图是否满足叶片气动、强度以及振动计算的设计规范，以及加工工艺路线中叶片尺寸链是否满足设计要求；若不满足，将审查结果反馈至步骤一进行核电低压长叶片的热力及气动设计调整。
根据本发明核电汽轮机低压长叶片设计方法，步骤六中，叶栅吹风试验包括基于吹风试验台，获取不同汽流角、相对节距以及叶片安装角条件下核电低压长叶片气动效率和叶型损失；
排汽缸吹风试验包括基于吹风试验台，测试排汽缸排汽损失。
根据本发明核电汽轮机低压长叶片设计方法，步骤六中，静频测试包括对单只核电低压长叶片进行静频试验，获得静频计算结果；
动调频测试包括：对整圈叶片转动频率进行测试，获得转动频率测试结果；
颤振试验包括：基于周期功的考核准则来判定叶片颤振特性，通过叶片颤振试验台架，测试不同测试工况下叶片振动周期功大小，根据正负性来测试叶片颤振特性；
强度试验包括：叶片的叶根和连接部位的强度和刚度试验，根据试验结果论证当前叶片设计的静强度和动强度的安全性；
模型叶片试验包括：根据等转速模化方法对设计的核电低压长叶片进行比例模化，获得适合试验尺寸的叶片模型，对叶片模型进行强度、振动及气动试验；
实物叶片试验：根据核电低压长叶片设计结果加工实物叶片，在大型转子试验台架上，完成实物叶片强度、振动和气动性能的试验。
根据本发明核电汽轮机低压长叶片设计方法，步骤七中进行试验审查以及步骤一重新进行核电低压长叶片的热力及气动设计过程包括：
将步骤六中计算获得的核电低压长叶片气动效率和叶型损失试验结果与步骤一气动设计中流场计算结果进行比较，若比较结果不合格，则将核电低压长叶片气动效率和叶型损失试验结果反馈至步骤一；步骤一根据运行要求，调整核电低压长叶片型线和修正叶型损失库；
将步骤六中计算获得的排汽缸排汽损失与排汽损失预设值进行比较，若超过排汽损失预设值，则将排汽缸排汽损失结果反馈至步骤一；步骤一根据运行要求，优化排汽缸结构；
将步骤六中静频计算结果与步骤二中单只优化后核电低压长叶片静频率计算结果进行比对，若步骤六中静频计算结果超出骤二中单只优化后核电低压长叶片静频率计算结果，将步骤六中静频计算结果反馈至步骤一；步骤一根据运行要求，进行叶根倒圆或围带厚度微动修整；
将步骤六中转动频率测试结果与步骤二中优化后核电低压长叶片的共振频率进行比较，若不合格，将转动频率测试结果反馈至步骤一；步骤一根据运行要求，结合围带厚度、拉筋尺寸的预留量，对核电低压长叶片进行结构调整；
将步骤六中强度和刚度试验结果与强度预设标准进行比较，若不合格，将强度和刚度试验结果反馈至步骤一；步骤一根据运行要求，进行核电低压长叶片局部叶型宽度和厚度的调整，增大相应的许用值。
根据本发明核电汽轮机低压长叶片设计方法，步骤八中，长叶片动应力试验包括：基于接触式动应力测试原理获得不同负荷条件下，实际流场对叶片动应力的影响曲线；
叶片在线监测试验包括：基于非接触式叶顶振动测量原理实时在线监测长叶片振动特性，通过对叶顶振动幅值和叶片动频率的监测，获得叶片运行状态；
根据叶片动应力的影响曲线以及叶片运行状态判断设计得到的核电低压长叶片是否所述运行要求。
本发明的有益效果：本发明是一种核电汽轮机核电低压长叶片实证设计方法，可更为高效的获得核电汽轮机长叶片，并使叶片的安全性更高。
本发明将核电低压长叶片的设计、审查和试验验证融为一体，是一种将理论计算、设计工艺和试验验证相互融合的设计方法，可为叶片设计者提供全面的长叶片设计指导，有利于核电汽轮机设计工作的顺利有效开展。
附图说明
图1是本发明所述核电汽轮机低压长叶片设计方法的流程图；
图2是本发明所述核电汽轮机低压长叶片设计方法的具体框架图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
具体实施方式一、结合图1和图2所示，本发明提供了一种核电汽轮机低压长叶片设计方法，包括，
步骤一：根据运行要求，进行核电低压长叶片的热力及气动设计，包括叶型设计和气动设计；
步骤二：根据所述气动设计结果进行核电低压长叶片的机械设计，包括进行静动强度计算、静动频率计算、颤振计算、水蚀计算、长叶片扭转恢复计算和轴系扭振计算；
步骤三：对所述叶型设计结果和机械设计结果进行设计审查，若审查结果不合格，将审查结果反馈至步骤一，重新进行核电低压长叶片的热力及气动设计，直至审查结果合格；
步骤四：根据所述叶型设计结果和机械设计结果进行核电低压长叶片的工艺设计，包括将满足要求的热力及气动设计结果转换为多种核电低压长叶片二维设计图，并根据多种核电低压长叶片二维设计图编制叶片加工工艺路线；
步骤五：对工艺设计结果进行工艺审查，若审查结果不合格，将审查结果反馈至步骤一，重新进行核电低压长叶片的热力及气动设计，直至审查结果合格；
步骤六：对工艺设计结果进行气动性能试验和安全性考核试验；所述气动性能试验包括叶栅吹风试验和排汽缸吹风试验；所述安全性考核试验包括静频测试、动调频测试、颤振试验、强度试验、模型叶片试验和实物叶片试验；
步骤七：对气动性能试验和安全性考核试验结果进行试验审查，若审查结果不合格，将审查结果反馈至步骤一，重新进行核电低压长叶片的热力及气动设计，直至审查结果合格；
步骤八：对试验审查结果为合格的核电低压长叶片进行运行试验，包括长叶片动应力试验和叶片在线监测试验，若运行试验结果不满足所述运行要求，将运行试验结果反馈至步骤一，重新进行核电低压长叶片的热力及气动设计，直至运行试验结果满足所述运行要求，完成核电低压长叶片的设计。
结合图2，本实施方式中，对应的设计系统可以包括(1)热力及气动设计模块、(2)机械设计模块、(3)图纸工艺设计模块、(4)安全性考核试验模块、(5)气动性能试验模块、(6)运行试验模块等6个模块。
在热力及气动设计中，需要根据汽轮机通流设计方案计算一维热力设计参数，根据热力设计参数条件，进行叶片二维气动造型设计和三维积叠设计，其中叶型设计对应的是二维气动造型设计，三维积叠设计对应气动设计。
进一步，结合图2所示，步骤一中，所述叶型设计包括二维造型设计，设计方法包括：
选择可参考成熟叶片作为参照，对核电低压长叶片进行等转速或变转速模化设计，使模化后获得的核电低压长叶片气动性能和安全性与可参考成熟叶片一致；
在有可参考的成熟叶片的条件下，可以优先考虑叶片等转速或变转速模化的方法进行叶片模化设计，模化后的叶片气动性能和安全性都与原叶片相一致。
其中等转速模化方法指的是在设计转速不变的前提下，同时改变叶片高度和弦宽度，保证叶片低阶频率基本不改变。
变转速模化方法，指的是当设计转速升高或降低为原来的x倍时，叶片根径和几何尺寸相应地变为原来的x倍，使叶片的离心力、蒸汽弯应力、以及共振转速均基本不变。
基于所述模化方法，能够较便捷而快速的进行叶型设计，缩短设计周期。
所述气动设计包括：根据可参考成熟叶片的流场计算结果对模化后获得的核电低压长叶片进行叶型修改和优化：
由于长叶片通常为变截面叶片，可以将模化后核电低压长叶片沿叶高等分为9-11个截面，对每一个截面分别进行型线优化设计，通过微量调整叶片型线达到预设气动性能，获得优化后核电低压长叶片，并进行最终流场计算，获得流场计算结果。将最终流场计算结果传递给步骤二的机械设计模块中，可用于叶片安全性计算。
再进一步，结合图2所示，步骤二中，根据流场计算结果进行核电低压长叶片的机械设计包括：
叶片静强度计算：对优化后核电低压长叶片的叶型、叶根和轮缘等关键部位进行静强度计算；所述静强度计算包括离心拉应力和蒸汽弯应力计算；获得静强度计算结果；静强度计算结果需满足设计考核要求。若计算结果超出考核限制，可以修改叶型弦长、根截面叶型宽度、调整叶型重心位置、叶根结构尺寸等方式来降低静强度。
动强度计算：根据流场计算结果，使用有限元分析方法对叶型、叶根和轮缘等关键部位进行动应力计算，考核流场不均匀性对叶片动应力的影响，获得动强度计算结果；动强度计算结果需满足设计考核要求。若计算结果超出考核限制，可以优化流场计算，减小流场不均匀性，或修改叶片结构，增加叶片耐振强度。
静频率计算：基于有限元计算方法，获得单只优化后核电低压长叶片静频率计算结果；以静频率计算结果为基准，指导叶片加工制造的合格率和分散度，要求叶片加工制造后静频率测试结果要在计算结果的规定范围内波动。再基于所述静频率计算结果采用有限元计算方法，进行整圈核电低压长叶片静频计算，获得整圈静频率计算结果；整圈静频率计算结果用于比对静频测试试验，修正仿真计算约束和参数设置。
动频率计算：基于有限元计算方法，计算优化后核电低压长叶片的共振频率；共振频率的计算结果中，要求前三阶频率都能避开谐波数9以内的共振。由于长叶片实际动频率与计算值存在一定偏差，在设计时需对围带厚度、拉筋尺寸预留出动频率测试试验的调整余量，以用于动调频测试后的叶片结构调整。
所述谐波数指共振转速与转频的倍数关系，例如3000rpm下，转频为50Hz，谐波数9时，共振频率为450Hz。长叶片工作转速与共振频率下的共振转速要有一定的频率避开率，不同使用要求下频率避开率有所不同，主要依叶片设计、安全考核、实机运行的经验而定。
颤振计算：基于能量法思路，采用流固耦合算法，对优化后核电低压长叶片气弹性耦合作用进行仿真计算；再在叶片结构场的模态分析基础上，将优化后核电低压长叶片各个模态振型采用三维流场计算模块，计算优化后核电低压长叶片振动位移，使用动网格技术表征叶片振动位移；三维流场计算模块对优化后核电低压长叶片在气弹性耦合作用下，一个振动周期的能量耗散值进行计算；若能量耗散为正值，表明该计算工况没有颤振风险；若能量耗散为负值，表明该计算工况存在颤振风险。所述颤振计算包括优化后核电低压长叶片在30％以下低负荷工况，前三阶的振动特性；
水蚀计算：根据核电低压长叶片的湿蒸汽区工作环境，对受到水滴侵蚀的水蚀率根据水滴尺寸、水滴含量、水滴速度以及侵蚀区域给出约束条件，获得水蚀率计算结果；
由于末级长叶片工作环境为湿蒸汽区，进汽边顶部会受到湿蒸汽中水滴的侵蚀，为提高叶片湿蒸汽区运行安全性，需要考虑叶片抗水蚀问题。根据实际情况，对水滴尺寸、水滴含量、水滴速度以及侵蚀区域给出约束条件，进行水蚀率计算，从而评估叶片水蚀风险。若水蚀风险较大，需考虑进汽边前采用激光固溶强化或加焊司太立合金片，提高叶片耐水蚀能力。
长叶片扭转恢复计算：计算核电低压长叶片沿叶高等分的各个截面的扭转恢复角；
通常长叶片设计沿叶高为扭叶片，在工作转速下，叶片从根到顶各个截面会有不同程度的扭转恢复。为了更为准确的计算叶片在实际运行时的气动性能，需要将长叶片各个截面扭转恢复角进行计算、提取，并反馈给气动设计中的流场计算，完善叶片气动性能设计。
轴系扭振计算：计算核电低压长叶片零节径数的频率值，并进行调整，直到使叶片轴系与转子转速倍频不会产生扭转共振；再基于零节径数的频率值计算获得轴系扭振频率。
长叶片设计过程中为了提高叶片耐振强度，通常为整圈围带、拉筋连接的叶片，此时要额外注意零节径数的频率值，零节径下，叶片振动会与转子振动相互耦合影响，为此，需要调整叶片零节径数的频率，避免轴系出现与转速倍频产生扭转共振的危险。当轴系扭振频率不合格时，一阶轴系振动频率可以采用改变沿叶高叶型面积和刚度的方法调整，二阶轴系频率可调整60-70％叶高处叶型抗弯刚度。
所述节径数，为整圈叶片的一种振动形式，不同节径数代表不同的叶片振型。其中零节径数下，整圈叶片振动为整体轴向振动，该形式下叶片最容易和转子耦合，影响轴系扭振频率。为此，在长叶片设计过程中，零节径数叶片频率值尤为重要。
完成热力及气动设计以及机械设计后，进入设计审查，审查结果直接反馈给设计源头，修正设计问题。
再进一步，结合图2所示，对所述叶型设计结果和机械设计结果进行设计审查以及步骤一中重新进行核电低压长叶片的热力及气动设计包括：
将静强度计算结果与静强度考核阈值进行比较，若超出考核阈值，将静强度计算结果反馈至步骤一；步骤一根据运行要求，结合修改叶型弦长、根截面叶型宽度、调整叶型重心位置和叶根结构尺寸的方式，进行降低静强度的设计；
将动强度计算与动强度考核阈值进行比较，若超出考核阈值，将动强度计算结果反馈至步骤一；步骤一根据运行要求，结合优化流场计算，减小流场不均匀性；或修改叶片结构，增加叶片耐振强度的方式，进行降低动强度的设计；
将整圈静频率计算结果反馈至步骤一，指导核电低压长叶片加工制造的合格率和分散度，使核电低压长叶片的整圈静频率计算结果在预设范围内波动；
将优化后核电低压长叶片的共振频率反馈至步骤一；步骤一根据运行要求，使核电低压长叶片共振频率的前三阶频率避开谐波数9以内的共振；并对核电低压长叶片的围带厚度和拉筋尺寸预留调整余量；
在能量耗散值在负值时，将能量耗散值计算结果反馈至步骤一，步骤一根据运行要求，对核电低压长叶片进行调整；
将水蚀率计算结果与设定水蚀率进行比较，若超过设定水蚀率，则将水蚀率计算结果反馈至步骤一，步骤一根据运行要求，对核电低压长叶片进汽边前采用激光固溶强化或加焊司太立合金片的设计；
将各个截面的扭转恢复角反馈至步骤一，步骤一根据运行要求，基于扭转恢复角调整核电低压长叶片的气动设计；
将轴系扭振频率与设定扭振频率进行比较，若超过设定扭振频率，将轴系扭振频率计算结果反馈至步骤一，步骤一根据运行要求，对核电低压长叶片的一阶轴系振动频率采用改变沿叶高叶型面积和刚度的方法调整，对核电低压长叶片的二阶轴系频率通过改变60-70％叶高处叶型抗弯刚度的方法调整。
再进一步，结合图2所示，步骤四中，所述多种核电低压长叶片二维设计图包括叶片型线图、围带型线图、叶根型线图、叶片施工图、连接件图以及叶片装配图，所述二维设计图中标注叶片结构尺寸和公差带；将热力和气动设计的叶片结构转化为二维图纸，用于指导加工制造。所有二维设计图要求满足叶片气动、强度以及振动计算的设计规范，型线曲面沿叶高连续光滑，加工工艺性好。
编制叶片加工工艺路线包括根据叶片各个相关零部件的关联性和装配顺序对二维设计图进行加工工艺路线的编制。要求工艺路线可执行性强，加工过程简单直接，尺寸链满足设计要求。
待完成图纸工艺设计后，进入工艺审查，审查结果直接反馈给设计源头，修正设计中不满足工艺要求的问题。当工艺问题全部解决后进入试验部分。
再进一步，结合图2所示，步骤五中，进行工艺审查包括，审查二维设计图是否满足叶片气动、强度以及振动计算的设计规范，以及加工工艺路线中叶片尺寸链是否满足设计要求；若不满足，将审查结果反馈至步骤一进行核电低压长叶片的热力及气动设计调整。
再进一步，结合图2所示，步骤六中，叶栅吹风试验包括基于吹风试验台，获取不同汽流角、相对节距以及叶片安装角条件下核电低压长叶片气动效率和叶型损失；将试验结果与气动设计中流场计算效率相比较，当出现吹风试验效率低、损失大的情况，需要反馈给气动设计方案，重新调整叶片型线和修正叶型损失库，以提高气动设计中流场计算的准确性。
排汽缸吹风试验包括基于吹风试验台，测试排汽缸排汽损失。用于对比和修正排汽缸设计，当排汽损失过大时，需进一步反馈给气动设计，优化排汽缸结构，降低排汽损失，提高整机效率。
再进一步，结合图2所示，步骤六中，静频测试包括对单只核电低压长叶片进行静频试验，获得静频计算结果；将静频计算结果与步骤二中静动频计算结果相比对，要求叶片静频率测试结果在计算结果的规定范围内波动，静频测试使结果分散度在规定范围内。如静频测试结果有不合格的叶片，进行叶根倒圆或围带厚度微动修整，确保频率合格，如在有限调整量后仍然无法实现频率合格，需重新加工。
动调频测试包括：对整圈叶片转动频率进行测试，获得转动频率测试结果；将测试结果结合步骤二中的动频率计算结果和围带厚度、拉筋尺寸的预留量，进行结构调整，确保前三阶谐波数9以内工作转速与共振转速有足够的避开率。完成整圈叶片静频测试试验，与步骤二静频计算中整圈静频计算结果相比对，修正步骤二中静频计算有限元软件的参数设置。
颤振试验包括：基于周期功的考核准则来判定叶片颤振特性，周期功指的是一个振动周期内，叶片对气流做的功。周期功为正数表明叶片振动过程对气流做正功，叶片振动能量向气流传递，叶片振动将逐渐耗散，不会颤振。相反，若周期功为负数，表明气流在向叶片传递能量，叶片振动会逐渐加剧，动应力增大，叶片发生颤振。通过叶片颤振试验台架，测试不同测试工况下叶片振动周期功大小，根据正负性来测试叶片颤振特性；
强度试验包括：主要涉及叶片的叶根和连接部位的强度和刚度试验，如叶根、轮缘的模型拉断试验；拉筋的强度和刚度试验；模型叶片动应力测试试验；叶根和轮槽微动磨损试验。根据试验结果论证当前叶片设计的静强度和动强度的安全性；如存在局部强度超标，则需要反馈至步骤二的机械设计步骤，进行局部叶型宽度和厚度的调整，以增大相应的许用值。
模型叶片试验包括：通常长叶片尺寸较大，设计初期进行相应的试验成本较高，为此，可根据等转速模化方法对设计的核电低压长叶片进行比例模化，转化为适合试验的小尺寸叶片模型，进而对叶片模型进行关注的强度、振动及气动性能进行模化叶片试验。
实物叶片试验：在长叶片设计最后阶段，根据核电低压长叶片设计结果加工制造一批真实尺寸的实物叶片，在大型转子试验台架上，完成实物叶片强度、振动和气动性能等试验，确保实物叶片性能可靠性。实物叶片试验通常为验证性试验，除非叶片设计、加工、制造、装配等步骤出现严重偏差，该步骤不应出现显著性的性能问题。
待完成气动性能试验安全性考核试验模块后，进入试验审查，审查结果直接反馈给设计源头，修正试验过程中未能达标的设计问题。当试验过程中发现的问题全部解决后进入运行试验模块。
再进一步，结合图2所示，步骤七中进行试验审查以及步骤一重新进行核电低压长叶片的热力及气动设计过程包括：
将步骤六中计算获得的核电低压长叶片气动效率和叶型损失试验结果与步骤一气动设计中流场计算结果进行比较，若比较结果不合格，则将核电低压长叶片气动效率和叶型损失试验结果反馈至步骤一；步骤一根据运行要求，调整核电低压长叶片型线和修正叶型损失库；
将步骤六中计算获得的排汽缸排汽损失与排汽损失预设值进行比较，若超过排汽损失预设值，则将排汽缸排汽损失结果反馈至步骤一；步骤一根据运行要求，优化排汽缸结构；
将步骤六中静频计算结果与步骤二中单只优化后核电低压长叶片静频率计算结果进行比对，若步骤六中静频计算结果超出骤二中单只优化后核电低压长叶片静频率计算结果，将步骤六中静频计算结果反馈至步骤一；步骤一根据运行要求，进行叶根倒圆或围带厚度微动修整；
将步骤六中转动频率测试结果与步骤二中优化后核电低压长叶片的共振频率进行比较，若不合格，将转动频率测试结果反馈至步骤一；步骤一根据运行要求，结合围带厚度、拉筋尺寸的预留量，对核电低压长叶片进行结构调整；
将步骤六中强度和刚度试验结果与强度预设标准进行比较，若不合格，将强度和刚度试验结果反馈至步骤一；步骤一根据运行要求，进行核电低压长叶片局部叶型宽度和厚度的调整，增大相应的许用值。
最后进行核电低压长叶片的运行试验，能过运行试验论证叶片实际投运后的性能表现，可通过长叶片动应力试验和叶片在线监测试验来反映叶片实际运行中耐振性能。
再进一步，结合图2所示，步骤八中，长叶片动应力试验包括：可在实际运行机组上加装动应力测试设备，基于接触式动应力测试原理获得不同负荷条件下，实际流场对叶片动应力的影响曲线；为后续机组运行提供指导意见，避免叶片在动应力峰值工况长期运行。
叶片在线监测试验包括：可在实际运行机组上加装叶片在线振动监测系统，基于非接触式叶顶振动测量原理实时在线监测长叶片振动特性，通过对叶顶振动幅值和叶片动频率的监测，获得实时叶片运行状态，论证叶片耐振性能的可靠性；
根据叶片动应力的影响曲线以及叶片运行状态判断设计得到的核电低压长叶片是否所述运行要求。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其它所述实施例中。

Claims (10)

1.一种核电汽轮机低压长叶片设计方法，其特征在于包括，
步骤一：根据运行要求，进行核电低压长叶片的热力及气动设计，包括叶型设计和气动设计；
步骤二：根据所述气动设计结果进行核电低压长叶片的机械设计，包括进行静动强度计算、静动频率计算、颤振计算、水蚀计算、长叶片扭转恢复计算和轴系扭振计算；
步骤三：对所述叶型设计结果和机械设计结果进行设计审查，若审查结果不合格，将审查结果反馈至步骤一，重新进行核电低压长叶片的热力及气动设计，直至审查结果合格；
步骤四：根据所述叶型设计结果和机械设计结果进行核电低压长叶片的工艺设计，包括将满足要求的热力及气动设计结果转换为多种核电低压长叶片二维设计图，并根据多种核电低压长叶片二维设计图编制叶片加工工艺路线；
步骤五：对工艺设计结果进行工艺审查，若审查结果不合格，将审查结果反馈至步骤一，重新进行核电低压长叶片的热力及气动设计，直至审查结果合格；
步骤六：对工艺设计结果进行气动性能试验和安全性考核试验；所述气动性能试验包括叶栅吹风试验和排汽缸吹风试验；所述安全性考核试验包括静频测试、动调频测试、颤振试验、强度试验、模型叶片试验和实物叶片试验；
步骤七：对气动性能试验和安全性考核试验结果进行试验审查，若审查结果不合格，将审查结果反馈至步骤一，重新进行核电低压长叶片的热力及气动设计，直至审查结果合格；
步骤八：对试验审查结果为合格的核电低压长叶片进行运行试验，包括长叶片动应力试验和叶片在线监测试验，若运行试验结果不满足所述运行要求，将运行试验结果反馈至步骤一，重新进行核电低压长叶片的热力及气动设计，直至运行试验结果满足所述运行要求，完成核电低压长叶片的设计。
2.根据权利要求1所述的核电汽轮机低压长叶片设计方法，其特征在于，
步骤一中，所述叶型设计包括二维造型设计，设计方法包括：
选择可参考成熟叶片作为参照，对核电低压长叶片进行等转速或变转速模化设计，使模化后获得的核电低压长叶片气动性能和安全性与可参考成熟叶片一致；
所述气动设计包括：根据可参考成熟叶片的流场计算结果对模化后获得的核电低压长叶片进行叶型修改和优化：
将模化后核电低压长叶片沿叶高等分为9-11个截面，对每一个截面分别进行型线优化设计，通过微量调整叶片型线达到预设气动性能，获得优化后核电低压长叶片，并进行最终流场计算，获得流场计算结果。
3.根据权利要求2所述的核电汽轮机低压长叶片设计方法，其特征在于，
步骤二中，根据流场计算结果进行核电低压长叶片的机械设计包括：
叶片静强度计算：对优化后核电低压长叶片的叶型、叶根和轮缘进行静强度计算；所述静强度计算包括离心拉应力和蒸汽弯应力计算；获得静强度计算结果；
动强度计算：根据流场计算结果，使用有限元分析方法对叶型、叶根和轮缘进行动应力计算，考核流场不均匀性对叶片动应力的影响，获得动强度计算结果；
静频率计算：基于有限元计算方法，获得单只优化后核电低压长叶片静频率计算结果；再基于所述静频率计算结果采用有限元计算方法，进行整圈核电低压长叶片静频计算，获得整圈静频率计算结果；
动频率计算：基于有限元计算方法，计算优化后核电低压长叶片的共振频率；
颤振计算：基于能量法，采用流固耦合算法，对优化后核电低压长叶片气弹性耦合作用进行仿真计算；再在叶片结构场的模态分析基础上，将优化后核电低压长叶片各个模态振型采用三维流场计算模块，计算优化后核电低压长叶片振动位移；三维流场计算模块对优化后核电低压长叶片在气弹性耦合作用下，一个振动周期的能量耗散值进行计算；所述颤振计算包括优化后核电低压长叶片在30％以下低负荷工况，前三阶的振动特性；
水蚀计算：根据核电低压长叶片的湿蒸汽区工作环境，对受到水滴侵蚀的水蚀率根据水滴尺寸、水滴含量、水滴速度以及侵蚀区域给出约束条件，获得水蚀率计算结果；
长叶片扭转恢复计算：计算核电低压长叶片沿叶高等分的各个截面的扭转恢复角；
轴系扭振计算：计算核电低压长叶片零节径数的频率值，并进行调整，直到使叶片轴系与转子转速倍频不会产生扭转共振；再基于零节径数的频率值计算获得轴系扭振频率。
4.根据权利要求3所述的核电汽轮机低压长叶片设计方法，其特征在于，
对所述叶型设计结果和机械设计结果进行设计审查以及步骤一中重新进行核电低压长叶片的热力及气动设计包括：
将静强度计算结果与静强度考核阈值进行比较，若超出考核阈值，将静强度计算结果反馈至步骤一；步骤一根据运行要求，结合修改叶型弦长、根截面叶型宽度、调整叶型重心位置和叶根结构尺寸的方式，进行降低静强度的设计；
将动强度计算与动强度考核阈值进行比较，若超出考核阈值，将动强度计算结果反馈至步骤一；步骤一根据运行要求，结合优化流场计算，减小流场不均匀性；或修改叶片结构，增加叶片耐振强度的方式，进行降低动强度的设计；
将整圈静频率计算结果反馈至步骤一，指导核电低压长叶片加工制造的合格率和分散度，使核电低压长叶片的整圈静频率计算结果在预设范围内波动；
将优化后核电低压长叶片的共振频率反馈至步骤一；步骤一根据运行要求，使核电低压长叶片共振频率的前三阶频率避开谐波数9以内的共振；并对核电低压长叶片的围带厚度和拉筋尺寸预留调整余量；
在能量耗散值在负值时，将能量耗散值计算结果反馈至步骤一，步骤一根据运行要求，对核电低压长叶片进行调整；
将水蚀率计算结果与设定水蚀率进行比较，若超过设定水蚀率，则将水蚀率计算结果反馈至步骤一，步骤一根据运行要求，对核电低压长叶片进汽边前采用激光固溶强化或加焊司太立合金片的设计；
将各个截面的扭转恢复角反馈至步骤一，步骤一根据运行要求，基于扭转恢复角调整核电低压长叶片的气动设计；
将轴系扭振频率与设定扭振频率进行比较，若超过设定扭振频率，将轴系扭振频率计算结果反馈至步骤一，步骤一根据运行要求，对核电低压长叶片的一阶轴系振动频率采用改变沿叶高叶型面积和刚度的方法调整，对核电低压长叶片的二阶轴系频率通过改变60-70％叶高处叶型抗弯刚度的方法调整。
5.根据权利要求4所述的核电汽轮机低压长叶片设计方法，其特征在于，
步骤四中，所述多种核电低压长叶片二维设计图包括叶片型线图、围带型线图、叶根型线图、叶片施工图、连接件图以及叶片装配图，所述二维设计图中标注叶片结构尺寸和公差带；
编制叶片加工工艺路线包括根据叶片各个相关零部件的关联性和装配顺序对二维设计图进行加工工艺路线的编制。
6.根据权利要求5所述的核电汽轮机低压长叶片设计方法，其特征在于，
步骤五中，进行工艺审查包括，审查二维设计图是否满足叶片气动、强度以及振动计算的设计规范，以及加工工艺路线中叶片尺寸链是否满足设计要求；若不满足，将审查结果反馈至步骤一进行核电低压长叶片的热力及气动设计调整。
7.根据权利要求6所述的核电汽轮机低压长叶片设计方法，其特征在于，
步骤六中，叶栅吹风试验包括基于吹风试验台，获取不同汽流角、相对节距以及叶片安装角条件下核电低压长叶片气动效率和叶型损失；
排汽缸吹风试验包括基于吹风试验台，测试排汽缸排汽损失。
8.根据权利要求7所述的核电汽轮机低压长叶片设计方法，其特征在于，
步骤六中，静频测试包括对单只核电低压长叶片进行静频试验，获得静频计算结果；
动调频测试包括：对整圈叶片转动频率进行测试，获得转动频率测试结果；
颤振试验包括：基于周期功的考核准则来判定叶片颤振特性，通过叶片颤振试验台架，测试不同测试工况下叶片振动周期功大小，根据正负性来测试叶片颤振特性；
强度试验包括：叶片的叶根和连接部位的强度和刚度试验，根据试验结果论证当前叶片设计的静强度和动强度的安全性；
模型叶片试验包括：根据等转速模化方法对设计的核电低压长叶片进行比例模化，获得适合试验尺寸的叶片模型，对叶片模型进行强度、振动及气动试验；
实物叶片试验：根据核电低压长叶片设计结果加工实物叶片，在大型转子试验台架上，完成实物叶片强度、振动和气动性能的试验。
9.根据权利要求8所述的核电汽轮机低压长叶片设计方法，其特征在于，
步骤七中进行试验审查以及步骤一重新进行核电低压长叶片的热力及气动设计过程包括：
将步骤六中计算获得的核电低压长叶片气动效率和叶型损失试验结果与步骤一气动设计中流场计算结果进行比较，若比较结果不合格，则将核电低压长叶片气动效率和叶型损失试验结果反馈至步骤一；步骤一根据运行要求，调整核电低压长叶片型线和修正叶型损失库；
将步骤六中计算获得的排汽缸排汽损失与排汽损失预设值进行比较，若超过排汽损失预设值，则将排汽缸排汽损失结果反馈至步骤一；步骤一根据运行要求，优化排汽缸结构；
将步骤六中静频计算结果与步骤二中单只优化后核电低压长叶片静频率计算结果进行比对，若步骤六中静频计算结果超出骤二中单只优化后核电低压长叶片静频率计算结果，将步骤六中静频计算结果反馈至步骤一；步骤一根据运行要求，进行叶根倒圆或围带厚度微动修整；
将步骤六中转动频率测试结果与步骤二中优化后核电低压长叶片的共振频率进行比较，若不合格，将转动频率测试结果反馈至步骤一；步骤一根据运行要求，结合围带厚度、拉筋尺寸的预留量，对核电低压长叶片进行结构调整；
将步骤六中强度和刚度试验结果与强度预设标准进行比较，若不合格，将强度和刚度试验结果反馈至步骤一；步骤一根据运行要求，进行核电低压长叶片局部叶型宽度和厚度的调整，增大相应的许用值。
10.根据权利要求9所述的核电汽轮机低压长叶片设计方法，其特征在于，
步骤八中，长叶片动应力试验包括：基于接触式动应力测试原理获得不同负荷条件下，实际流场对叶片动应力的影响曲线；
叶片在线监测试验包括：基于非接触式叶顶振动测量原理实时在线监测长叶片振动特性，通过对叶顶振动幅值和叶片动频率的监测，获得叶片运行状态；
根据叶片动应力的影响曲线以及叶片运行状态判断设计得到的核电低压长叶片是否所述运行要求。
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