半速核电1828 mm末级长叶片开发

2018-04-10范志飞范小平钟刚云尹明艳江生科杨长柱

东方汽轮机 2018年1期

范志飞，范小平，钟刚云，尹明艳，江生科，杨长柱

（东方汽轮机有限公司，四川德阳，618000）

0　引言

随着环境、资源问题的日益严峻，清洁能源在世界范围内得到大力推广。核电作为一种发电密度高的清洁能源，在欧美等发达国家已得到广泛应用。为了克服火力发电在排放方面对环境造成不良影响的缺陷，我国制定了大力发展核能发电的战略决策。到2020年，中国核电将建成总装机容量4000万千瓦，从而使中国核电的装机容量占全国总发电装机容量的比例，由2002年的1%左右上升到4%左右，这对于各汽轮机制造厂商来说市场前景广阔。

通流设计技术历来是汽轮机技术的核心，为满足核电行业对自主创新技术的需求，掌握核电汽轮机通流设计技术是首要任务。其中核电汽轮机末级长叶片的设计开发更是重中之重。

末级长叶片的开发面临诸如叶片材料性能、叶片经济性和安全性设计、叶片制造等诸多技术挑战。因此，汽轮机末级长叶片的开发成为世界上各大汽轮机制造商永恒的研究目标，也是其设计制造的难点，代表了一个汽轮机制造商的综合实力和市场竞争力。

国核压水堆核电站示范工程是国家重大科技专项示范项目。东汽作为该项目自主产权汽轮机的牵头研发单位，于2008年启动了该项目配套的低压末级叶片开发工作。依靠东汽优良的末级长叶片设计、制造、试验验证等软、硬件实力，最终成功研制出了具有世界先进水平、适用于百万等级以上半转速核电汽轮机的1828 mm末级叶片。

1　开发设计

1.1　设计目标

依托CAP1400国核压水堆示范工程项目，开发一只与之配套的低压末级长叶片。该末级叶片的总体设计目标如下：

（1）适用机型：半速大型核电汽轮机组；

（2）功率范围：1200～1700 MW；

（3）设计背压范围：3～8 kPa；

（4）设计寿命：60年。

1.2　热力设计及叶片基本特性参数

热力设计的目的是根据装机地点的背压和机组的容量，优化确定排汽环形面积，初步确定末级叶片根径和叶高。针对CAP1400国核压水堆示范工程项目的末级叶片，经综合论证后，确定了以1828 mm叶片为开发目标。1828 mm叶片的基本特性参数见表1。

从排汽速度来判定，1828 mm叶片用于CAP1400国核压水堆示范工程项目是合理的。从变工况的角度考虑，其处于较佳的设计点附近，如图1所示。

表1　1828mm末级长叶片的基本技术特征

图1　1828 mm叶片排汽损失随排汽速度变化曲线

1.3　气动设计

1.3.1动、静叶型线设计

型线设计与开发技术是汽轮机通流技术的关键技术，其水平高低直接决定汽轮机通流经济性的好坏。对于末级长叶片，由于其具有强烈的三元效应，使叶片的诸多气动参数在径向、轴向和切向合理分布，是末级长叶片设计中比较关键的一步。1828 mm末级叶片的动、静叶型线以成熟低压末级长叶片级动、静叶型线为母型，并采取可控涡流型设计，其各截面气动性能优良，沿型线高度方向面积变化合理，型线特性截面高阶光顺，亚音、跨音、超音速流动特性优异。

1.3.2全三元气动性能分析

采用经过实际负荷试验验证的最新计算流体力学软件，全面考虑多级汽轮机低压透平叶片的壁面形状、叶片形状的流体动力和非平衡蒸汽特性，对1828 mm叶片配套的低压末三级叶片进行了全三元粘性流动特性数值设计分析，以保证末三级叶片具有最佳的气动性能。图2为1828 mm末级动叶片设计工况下根、顶部马赫数分布，图3为设计工况下末三级子午面马赫数分布。

图2　设计工况末级叶片根部、顶部马赫数分布

图3　设计工况末三级叶片子午面相对马赫数分布

全三元气动分析结果表明：

·1828 mm叶片全三维计算总效率高出或相当于同类型的核电末级叶片，表明该级静、动叶匹配合理，具有优良的气动特性；

·1828 mm叶片配套静叶流道内气流均匀加速、无可见流动分离，薄出气边设计使得尾迹较薄，尾迹损失小；

·1828 mm叶片流道内气流均匀加速，无分离，沿叶高具有良好的攻角特性，叶顶超音速流道内的流动特性优良，激波较弱且波系结构简单。

1.3.3变工况性能

变工况气动性能分析结果显示，1828 mm末级长叶片在不同的负荷下均具有优良的气动效率。同时，针对不同负荷下的叶片动力学响应分析结果也表明，1828 mm末级长叶片的结构振动特性优异，在可能的变工况运行范围内，其动力响应均较低。综上所述，无论是气动性能还是强度振动特性，1828 mm末级长叶片都是一只变工况特性优良，运行适应性佳的末级叶片。

1.4　结构、强度及振动设计

1.4.1结构设计

1828 mm末级长叶片采用成熟的自带围带冠加凸台拉金的成圈阻尼叶片结构，材料采用具有优秀运行业绩、高强度、高抗腐蚀性、高材料阻尼特性的Cr-Ni-Mo-V-N钢材料。叶根及轮缘采用承载能力高且有优秀运行业绩的斜置枞树型叶根。1828 mm叶片结构示意图见图4。

图4　1828 mm叶片三维结构示意图

1.4.2防水蚀措施

1828 mm末级长叶片采用的防水蚀措施为高频淬火。同时配套导叶采用空心除湿结构，并对空心导叶去湿槽的大小及位置开展了专项优化研究，以达到最佳除湿效果。

1.4.3强度、振动特性

1828 mm末级长叶片在离心力的作用下叶片有规律地变形从而使叶片拉金凸台和叶顶围带相互接触，形成整圈自锁叶片结构。考虑变形导致的刚性变化和接触摩擦以及叶根、轮槽结构的局部高应力集中，在保证常规强度的同时，通过三维有限元分析软件进行详细的非线性弹塑性解析,精确地评估叶片实际应力特性，更有效地保证了叶片的安全可靠性。

强度分析结果表明，1828 mm末级长叶片的常规强度满足设计要求。有限元强度分析结果显示，叶型部位的最大应力小于叶片材料的屈服强度，如图5所示。另外对叶片、轮槽进行有限元弹塑性分析，塑性应变分析结果如图6所示，基于弹塑性分析结果开展低周疲劳寿命评估，叶片与轮槽的低周疲劳寿命均远大于15000次，满足设计规范。

图5　1828 mm叶片叶型区域应力分布

图6　叶根、轮槽塑性应变区域分布

末级长叶片工作在湿蒸汽区，并且可能经常变工况运行，承受强烈且不稳定的气流激振力作用，如果叶片在工作转速下发生共振，会产生极大的危害，甚至会导致叶片断裂。因此保证叶片频率避开工作转速共振区域的振动设计工作至关重要。采用经过多只末级长叶片实际负荷试验结果验证的分析处理方法（特别针对拉金、围带间的连接刚度模拟）对1828 mm末级长叶片开展有限元振动分析，并通过改变拉金凸台位置、大小以及围带结构形式等方式优化叶片振动、阻尼特性，避开低频共振频率以保证整圈叶片的稳定性。另外，对叶片型线局部区域优化设计，以使叶片具有较优的振动响应特性，提高其耐振性能。