CN102108881A - 半转速核电汽轮机用的次末级叶片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半转速核电汽轮机用的次末级叶片，具有叶根和叶身，叶身顶部设有围带，叶根、叶身和围带是整体结构；叶身是由若干特征截面按一特定规律迭合而成的异形体，叶身有效高度H、根径Dr；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；截面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；叶高H相对值由0.0单调增加到1.0；安装角c1由78.02°单调减小到27.41°；截面积A变化规律为：9.267≥A≥1.0；轴向宽度Xa变化规律为：2.496≥Xa≥1.0；弦长b1变化规律为：1.186≥b1≥1.0；最大厚度W1变化规律为：7.147≥W1≥1.0。它具有较高的经济性和可靠性，适用于背压为3～6kPa、功率为1000～1700MW、转速为1500rpm的核电汽轮机。

Description

半转速核电汽轮机用的次末级叶片

技术领域

本发明涉及汽轮机叶片，具体是一种半转速核电汽轮机用的次末级叶片。它与“半转速核电汽轮机用的末级叶片”相匹配，适合用于背压为3～6kPa、功率为1000～1700MW、转速为1500rpm的核电汽轮机。

背景技术

核电以其清洁、经济、安全的综合特性，被视为未来能源产业发展的主流方向之一。截至2009年底，我国核电项目在建规模达2192万千瓦共20台机组，我国已成为世界上在建核电规模最大的国家。根据我国政府制定的规划，到2020年，我国投入使用的核电装机容量将从目前的尚不足1000万千瓦提高到7500万千瓦，届时核电占全国电力装机容量的比重将从目前的2％提高到5％左右，这将积极推进我国核电建设事业，满足我国经济和社会发展的不断增长对能源的需求，保障能源供应与安全，保护环境，并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。

随着我国核电事业的蓬勃发展，核电机组的单机容量也在逐步增大，从1000MW到1700MW均有相应的机组在运行中或建设中。机组容量越大，低压缸的数量和汽轮机全长也会越大，这将极大影响汽轮机整体效率，然而低压缸的数量和汽轮机全长可以采用更长的末级叶片进行有效减小。因此，开发更大长度的核电低压末级叶片已成为当前各大汽轮机制造企业的重中之重。

蒸汽轮机作为核电厂主力设备之一，汽轮机的设计直接影响核电机组工作效率。汽轮机的容量越大，发电密度越高，要求其初参数越高，排汽环形面积越大，需要的末级和次末级叶片就越长，对叶片材料强度要求就越高，叶片的气动和振动设计也就越难。在汽轮机的设计中，长叶片的结构设计，因其涉及的技术面广、技术含量高而成为汽轮机的核心关键技术。长期以来，国外汽轮机制造的相关大公司将核电末级叶片技术以及与其相匹配的次末级叶片技术对外高度保密，使得我国核电企业不得不依赖他们，花费高昂的价格向其进口产品，即便这样，供应链也相当吃紧，这严重制约了我国核电事业的前进步伐；此外，核电事业关乎国家综合发展命脉，不宜受制于人。为此，我国汽轮机制造企业加大了核电叶片的研发力度，也成功打破了国外相关大公司的技术封锁，自主研发了“半转速核电汽轮机用的末级叶片”。为了我国核电事业的持续、健康发展，现急需自主开发与“半转速核电汽轮机用的末级叶片”相匹配的次末级叶片。

发明内容

本发明的目的在于：针对我国自主研发的“半转速核电汽轮机用的末级叶片”，提供自主研发的与其相匹配的半转速核电汽轮机用的次末级叶片，它具有结构合理、动应力低的特点，适用于背压为3～6kPa、功率为1000～1700MW、转速为1500rpm的核电汽轮机。

本发明为实现其技术目的，采用的技术方案是：

一种半转速核电汽轮机用的次末级叶片，具有叶根和叶身，所述叶身顶部设有围带，叶根、叶身和围带是整体结构；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；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；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；所述叶身的有效高度为H、根径为Dr；叶高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78.02°单调减小到27.41°；从根截面到顶截面的截面积A的相对值变化规律为：9.267≥A≥1.0；从根截面到顶截面的轴向宽度Xa的相对值变化规律为：2.496≥Xa≥1.0；从根截面到顶截面的弦长b1的相对值变化规律为：1.186≥b1≥1.0, 从根截面到顶截面的最大厚度W1的相对值变化规律为：7.147≥W1≥1.0。

所述围带具有背弧工作面S1和内弧工作面P1，S1和P1是相互平行的平面，在转速N1转/分时，围带背弧工作面S1与相邻叶片围带内弧工作面P1接触，产生压应力F1，A1为工作面S1、P1间的距离，T1为工作面S1、P1几何中心间的距离；B2为围带顶部子午倾角；

所述围带厚度H1满足关系式：

10＜H1＜20mm；

所述围带顶部子午倾角B2满足关系式：

10⁰≤B2≤30⁰

所述背弧工作面S1与汽轮机转子中轴线X轴的夹角B1满足关系式：

A1=T1*COSB1，30⁰≤B1≤50⁰；

所述相邻叶片的围带接触转速N1满足关系式：

0≤N1≤1000转/分；

所述工作面的压应力F1满足关系式：

0.005＜F1≤0.03倍材料的强度极限。

所述叶根为枞树型叶根。

所述叶根为四齿直线形枞树型叶根，叶根平台具有倾角B3；

所述叶根平台倾角B3满足关系式：

0⁰≤B3≤5⁰。

本发明的有益效果是：上述结构的次末级叶片采用先进的结构型式－阻尼式自带围带，具有优异的动态性、气动性、动应力、阻尼性、安全性、刚性和强度；叶根采用大承载的直线形枞树型叶根设计，叶片与转子结合牢固、稳定，便于装配，操作简便、快捷；它填补了我国在核电汽轮机用次末级长叶片技术方面的空白，满足了市场对大容量核电汽轮机的需要，使我国叶片的技术水平达到世界先进水平，具有较高的经济性和可靠性，提高了我国核电汽轮机在国际市场的竞争力。

发明内容

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1是本发明的一种结构示意图。

图2是围带结构示意图。

图3是叶身截面示意图。

发明内容

参见图1，本发明由叶根3和叶身2组成，叶身2顶部设有围带1，叶根3、叶身2和围带1是整体结构，它们采用合适的高强度合金钢叶片和转子材料整体地制造完成。叶片通过叶根3安装在转轴外圆上的叶轮槽中，每圈轮槽安装82只叶片，当叶轮上一周的叶轮槽中均装上叶片后，就形成了汽轮机的次末级。

现以载体为六排汽1400MW等级的半转速核电汽轮机为例，详细说明本发明，此机最适宜的设计背压为3.5kPa，在此设计背压范围内，最终方案确定的次末级叶片叶身的有效高度H为997mm，根径Dr为3110 mm，其环形面积等于12.86m² 。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。

图1、图2和图3，本发明的相关变量定义如下：

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（图中未标出）。

c1为安装角，即弦长b1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（图中未标出）。

Xa为叶身根截面轴向宽度。

H1为围带厚度。

S1为围带背弧工作面。

P1为围带内弧工作面。

A1为围带工作面S1、P1之间的距离。

T1为围带工作面S1、P1几何中心间的距离。

B1为围带背弧工作面S1与汽轮机转子中轴线X轴的水平夹角。

B2为围带顶部子午倾角。

B3为叶根平台倾角。

T为节距，即相邻两叶片同一高度截面在周向的安装距离。

O1为叶身根截面出口喉宽度，即出口边与相邻叶身截面背弧的最小距离。

α1°为出口几何角，sin^-1(O1/T)。

W为叶根轴向宽度。

（1）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，设计了本发明顶截面以下的叶身部分若干个典型截面型线要素及安装位置，各典型截面之间的叶型采用型面光滑连接，沿叶高各基本叶型的特征是：根部为亚音速叶型、中部为跨音速叶型、顶部为超音速叶型，超音速叶型截面是叶型设计的重点和难点，为了协调强度和气动对叶型的制约，通过对叶型参数的优化改进，最终基本实现了沿叶高等强度极限应力设计，同时满足叶根强度和叶片气动性能的要求。基本叶型的横截面积沿高度单调减小，呈塔形变化，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78.02°单调减小到27.41°；从根截面到顶截面的截面积A的相对值（顶截面为1.0）变化规律为：9.267≥A≥1.0；从根截面到顶截面的轴向宽度Xa的相对值（顶截面为1.0）变化规律为：2.496≥Xa≥1.0；从根截面到顶截面的弦长b1的相对值（顶截面为1.0）变化规律为：1.186≥b1≥1.0；从根截面到顶截面的最大厚度W1的相对值（顶截面为1.0）变化规律为：7.147≥W1≥1.0。基本叶型沿高度单调扭转成型，基本叶型的出口几何角α1o沿高度单调可控地减小。

（2）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厚度为H1，厚度H1满足关系式：10mm＜H1＜20mm，围带顶部有子午倾角B2，围带顶部子午倾角B2满足关系式：10⁰≤B2≤30⁰，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，在约转速N1转/分时，围带背弧工作面S1与相邻叶片围带内弧工作面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，工作面压应力F1满足关系式：0.005＜F1≤0.03倍材料的强度极限；围带内弧工作面P1与汽轮机转子中轴线X轴的夹角B1满足关系式：A1=T1*COSB1，30⁰≤B1≤50⁰；围带在叶片工作时增加叶片刚性，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，大幅度降低叶片动应力。

（3）叶根设计

叶根为四齿直线形枞树型叶根，叶根平台具有倾角B3，叶根平台倾角B3满足关系式：0⁰≤B3≤5⁰。该结构能使叶片简便、快捷的装配在转子上，并且装配后的叶片与转子结合更加牢固、稳定。

本发明的保护范围并不局限于上述实施例，上述实施例只是本发明众多较佳实施例中的一个，本发明的保护范围应当扩展到权利要求书所披露的特征或它们的组合。

Claims (4)

1.一种半转速核电汽轮机用的次末级叶片，具有叶根和叶身，所述叶身顶部设有围带，叶根、叶身和围带是整体结构；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；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；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；其特征在于，所述叶身的有效高度为H、根径为Dr；叶高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78.02°单调减小到27.41°；从根截面到顶截面的截面积A的相对值变化规律为：9.267≥A≥1.0；从根截面到顶截面的轴向宽度Xa的相对值变化规律为：2.496≥Xa≥1.0；从根截面到顶截面的弦长b1的相对值变化规律为：1.186≥b1≥1.0, 从根截面到顶截面的最大厚度W1的相对值变化规律为：7.147≥W1≥1.0。

2.根据权利要求1所述半转速核电汽轮机用的次末级叶片，其特征在于，所述围带具有背弧工作面S1和内弧工作面P1，S1和P1是相互平行的平面，在转速N1转/分时，围带背弧工作面S1与相邻叶片围带内弧工作面P1接触，产生压应力F1，A1为工作面S1、P1间的距离，T1为工作面S1、P1几何中心间的距离；B2为围带顶部子午倾角；

所述围带厚度H1满足关系式：

10＜H1＜20mm；

所述围带顶部子午倾角B2满足关系式：

10⁰≤B2≤30⁰

所述背弧工作面S1与汽轮机转子中轴线X轴的夹角B1满足关系式：

A1=T1*COSB1，30⁰≤B1≤50⁰；

所述相邻叶片的围带接触转速N1满足关系式：

0≤N1≤1000转/分；

所述工作面的压应力F1满足关系式：

0.005＜F1≤0.03倍材料的强度极限。

3.根据权利要求1所述半转速核电汽轮机用的次末级叶片，其特征在于，所述叶根为枞树型叶根。

4.根据权利要求3所述半转速核电汽轮机用的次末级叶片，其特征在于，所述叶根为四齿直线形枞树型叶根，叶根平台具有倾角B3；

所述叶根平台倾角B3满足关系式：

0⁰≤B3≤5⁰。

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