CN102108883A - 半转速核电汽轮机末级动叶片 - Google Patents
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Abstract
本发明半转速核电汽轮机末级动叶片，叶身型线为变截面扭曲型线，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；叶高H的相对值由0.0单调增加到1.0；安装角的绝对值c1由80.990单调减小到10.80；从根截面到顶截面的弦长b1的相对值变化规律为：1.557≥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：1.9465≥w1≥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：8.387≥Xa≥1.0；从根截面到顶截面的面积A的相对值变化规律为：5.553≥A≥1.0；叶身由25个轮廓形状不同的特性截面沿叶身高度方向叠合，平滑过渡构成，其中有三个是关键截面：4.58%H处，51.00%H处，96.99%H处，该截面的理论轮廓线用28个离散点的坐标（X、Y）描述。
Description
技术领域
本发明属于半转速核电汽轮机通流技术领域，具体涉及半转速核电汽轮机末级动叶片，为1400MW核电汽轮机开发，同时适用于功率等级为1000MW-1700MW半转速核电汽轮机。
背景技术
叶片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的通流经济性的好坏。好的型线不仅可以使得汽轮机通流经济性更好，同时也会使得通流部件的结构设计更简单。如何开发气动性能、结构性能更优良的型线，是世界各国汽轮机制造商的重点工作内容。
从传统的叶片型线设计来讲，全新开发一套型线的设计难度很大，涉及繁多的工作内容。好的汽轮机叶片型线不仅要具有好的设计工况性能，并且要具有好的变工况性能，并且由于型线性能预测工具的不成熟，因此更多的时候型线开发需要通过气动试验来验证，费钱费时却往往得不到好的效果。因此，对各大汽轮机制造商来讲，型线一旦定型后一般就不再改动。
根据叶片的长短，人们习惯将叶片分为中短叶片与长叶片，末级长叶片自然属于长叶片的一种。对于末级长叶片的型线来讲，其设计难度在整个汽轮机型线设计里面难度最大，其不仅要满足亚音、跨音、超音速流动特性，还要满足苛刻的叶片强度要求。
目前，世界上各大汽轮机制造厂均有自己的长叶片系列。如：GE公司拥有的3600rpm长叶片系列中，最长的叶片为40英寸(Ti)。3000rpm长叶片系列中，最长的叶片为48英寸钢叶片。日立和东芝公司在GE公司的长叶片系列基础上，分别开发出了3000rpm的48英寸钢叶片。阿尔斯通公司的最长3000rpm的叶片为46英寸钢叶片。半转速汽轮机方面，阿尔斯通、西门子、GE、三菱等公司都有自己的50英寸、60英寸、70英寸系列长叶片。
70英寸及以上的长叶片开发代表了目前半转速汽轮机叶片领域的最高水平，也是各大汽轮机厂商的竞争重点，其核心的技术就是要开发一套既具有较佳的气动特性又能满足动叶片的强度振动特性要求的动叶片型线。
发明内容
本发明旨在开发一套专用于核电70英寸等级的末级动叶片型线，型线使用的最长气道高度小于等于72英寸（1828.8mm），也就是说，以本动叶型线为基础可容易设计出气道高度不大于1828.8mm的半转速核电用汽轮机末级叶片系列，特别是为长度为72英寸（1828.8mm）等级末级长叶片的成功开发提供必要的关键技术。
从提高发电密度，降低电厂的基建投资和运行维修费用及降低汽机制造成本方面考虑，开发设计用于4F-1400MW，6F-1700NWMW等级大容量核电半转速机组，长度为72英寸（1828.8mm）等级末级长叶片具有重要意义。它满足了大容量机组对末级长叶片的需要，为开发1400MW、1700MW等级容量核电半转速机组提供了必要条件，对提高我国重大装备行业的综合实力和品牌效应产生积极影响，将大大提高国产发电设备的市场竞争能力。
本发明的技术方案是：
半转速核电汽轮机末级动叶片，该叶片的叶身型线为变截面扭曲型线，型线的宽度、厚度及横截面积由根部到顶部递减，平滑过渡，所述型线由若干特征截面按一特定规律迭合而成，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：叶高H的相对值由0.0单调增加到1.0；与之相对应，安装角的绝对值c1由80.990单调减小到10.80；从根截面到顶截面的弦长b1的相对值变化规律为：1.557≥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：1.9465≥w1≥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：8.387≥Xa≥1.0；从根截面到顶截面的面积A的相对值变化规律为：5.553≥A≥1.0 。
相关变量定义：
H—叶片的有效高度，即叶片的叶身部分的长度：叶身顶截面与叶身根截面之间的距离；
b1—弦长：叶身截面进、出汽边的距离；
c1—叶片安装角：弦长b1与Y向的夹角；
Xa—轴向宽度：叶身根截面轴向宽度；
w1—最大厚度：叶身截面切向宽度。
所述叶身由25个轮廓形状不同的特性截面沿叶身高度方向叠合，平滑过渡构成，由根部到顶部的顺序为1~25，其中有三个是关键截面，分别为：4.58% H处的B-B截面，序号为2，51.00% H处的L-L截面，序号为12，96.99% H处的W-W截面，序号为23，该三个关键截面的理论轮廓线用如下28个离散点的坐标（X、Y）描述，将该28 个离散点平滑连接，即得各关键截面的理论轮廓线；
所述关键截面的轮廓线许有公差带，使关键截面的轮廓线在以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内。
所述关键截面的轮廓线许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及相应的公差。
本发明的技术效果：
本发明提供一种核电用超长动叶片型线，型线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，用其设计开发的核电用72英寸末级叶片叶身应力小，满足现有材料的强度规范结构要求。其结构要素不同于现有产品，其技术性能的主要指标达到或超过现有同类产品，整体综合性能优于现有同类产品。
按本发明提供的各截面型线原形或作相似模化或旋转设计的二维叶栅将具有优良的气动特性。以此套型线为基础可设计出气道高度小于等于1828.8mm的半转速核电用末级动叶片系列，所设计的末级动叶片不但有先进的气动特性，而且能满足强度振动的要求。
从提高发电密度，降低电厂的基建投资和运行维修费用及降低汽机制造成本方面考虑，开发设计用于4F-1400MW，6F-1700NWMW等级大容量核电半转速机组，长度为72英寸（1828.8mm）等级末级长叶片具有重要意义。它满足了大容量机组对末级长叶片的需要，为开发1400MW、1700MW等级容量核电半转速机组提供了必要条件，对提高我国重大装备行业的综合实力和品牌效应产生积极影响，将大大提高国产发电设备的市场竞争能力。
附图说明
图1是叶身主视图。
图2是叶身俯视图。
图3是叶身截面特征示意图。
图4是叶身截面叠合图。
具体实施方式
本发明要解决的问题及技术措施是：
（1）叶型特性参数设计：基于工程所需边界条件，确定该套叶型的排气速度范围在200-250m/s范围，使用根径范围在2800-3400mm，最大排气面积可达30m2，有效叶高小于等于1828.8mm。最大使用马赫数小于2.2。
采用流线曲率法完成低压模块的通流匹配，确定该套叶型的基本特性参数，几何进气角的范围为53-176°，有效几何角的范围为36-7.5°。
（2）叶型设计：本套叶型采用叶型专用三维造型软件获得特性截面25个，根据强度设计要求修改各截面面积变化规律，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。
（3）叶型优化：采用高阶Bezier曲线及三阶C样条曲线对本套叶型25个特性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性截面，同时气动特性优良。
（4）叶型特征：核电用超长末级动叶片型线为变截面扭曲型线，型线的宽度、厚度及横截面积由根部到顶部递减，平滑过渡，所述型线由若干特征截面按一特定规律迭合而成，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，其外形轮廓参见图1、图2、图3，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；叶高H的相对值由0.0单调增加到1.0；与之相对应，安装角的绝对值c1由80.990单调减小到10.80；从根截面到顶截面的弦长b1的相对值变化规律为：1.557≥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：1.9465≥w1≥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：8.387≥Xa≥1.0；从根截面到顶截面的面积A的相对值变化规律为：5.553≥A≥1.0 。
相关变量定义：
H—叶片的有效高度，即叶片的叶身部分的长度：叶身顶截面与叶身根截面之间的距离；
b1—弦长：叶身截面进、出汽边的距离；
c1—叶片安装角：弦长b1与Y向的夹角；
Xa—轴向宽度：叶身根截面轴向宽度；
w1—最大厚度：叶身截面切向宽度。
（5）叶型关键截面：参见图1、图4，本叶片的叶身由25个轮廓形状不同的特性截面沿叶身高度方向叠合，平滑过渡构成，其中有三个是关键截面，分别为：4.58% H处的B-B截面，序号为2，51.00% H处的L-L截面，序号为12，96.99% H处的W-W截面，序号为23，该三个关键截面的理论轮廓线用如下28个离散点的坐标（X、Y）描述，将该28 个离散点平滑连接，即得各关键截面的理论轮廓线。关键截面相对高度及点列坐标见表1、表2。
表1 型线关键截面型线相对高度
| 截面名称 | 相对叶高高度 |
| B-B | 4.58% |
| L-L | 51.00% |
| W-W | 96.99% |
表2 关键截面控制点坐标
本叶片的特性截面实际尺寸允许有公差，公差带以各特性截面离散点为圆心，半径为0.5mm作包络圆所形成的轮廓形状尺寸。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及相应的公差带均在本发明的范围内。
Claims (4)
1.半转速核电汽轮机末级动叶片，该叶片的叶身型线为变截面扭曲型线，型线的宽度、厚度及横截面积由根部到顶部递减，平滑过渡，所述型线由若干特征截面按一特定规律迭合而成，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：叶高H的相对值由0.0单调增加到1.0；与之相对应，安装角的绝对值c1由80.990单调减小到10.80；从根截面到顶截面的弦长b1的相对值变化规律为：1.557≥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：1.9465≥w1≥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：8.387≥Xa≥1.0；从根截面到顶截面的面积A的相对值变化规律为：5.553≥A≥1.0；
相关变量定义：
H—叶片的有效高度，即叶片的叶身部分的长度：叶身顶截面与叶身根截面之间的距离；
b1—弦长：叶身截面进、出汽边的距离；
c1—叶片安装角：弦长b1与Y向的夹角；
Xa—轴向宽度：叶身根截面轴向宽度；
w1—最大厚度：叶身截面切向宽度。
2.根据权利要求1所述的半转速核电汽轮机末级动叶片，其特征在于：所述叶身由25个轮廓形状不同的特性截面沿叶身高度方向叠合，平滑过渡构成，由根部到顶部的顺序为1~25，其中有三个是关键截面，分别为：4.58% H处的B-B截面，序号为2，51.00% H处的L-L截面，序号为12，96.99% H处的W-W截面，序号为23，该三个关键截面的理论轮廓线用如下28个离散点的坐标（X、Y）描述，将该28 个离散点平滑连接，即得各关键截面的理论轮廓线：
。
3.根据权利要求2所述的半转速核电汽轮机末级动叶片，其特征在于：所述关键截面的轮廓线许有公差带，使关键截面的轮廓线在以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内。
4.根据权利要求2所述的半转速核电汽轮机末级动叶片，其特征在于：所述关键截面的轮廓线许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及相应的公差。
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