大型湿冷汽轮机1400 mm末级叶片开发设计

王顺德 周显丁 曹守洪 范志飞

(东方汽轮机有限公司，四川618000)

随着经济的发展，能源结构政策调整和环境保护需要，发展高参数、大容量汽轮发电机组技术，改善在役机组的经济性以及降低制造和电厂维护成本已非常迫切，而限制机组大容量化的主要因素之一就是末级叶片的长度。公司紧跟时代步伐，在历年积累的湿冷汽轮机设计技术基础上，开发了适用于超超临界大容量4F-1200 MW～1300 MW等级汽轮机钢制1400 mm末级叶片，可推广应用于1F-220 MW～400 MW等级联合循环汽轮机和 50 Hz超超临界、超临界、亚临界2F-550 MW～900 MW等级凝汽式汽轮机。

钢制1400 mm超长末级叶片的开发完成，完善了东汽末级长叶片系列。东汽目前拥有的湿冷汽轮机3000 r/min钢制末级长叶片系列见表1所示。

本文介绍了钢制1400 mm超长末级叶片开发设计特点、关键技术和气动强度振动试验验证结果。

1 钢制1400 mm末级叶片结构

钢制1400 mm末级动叶具有高离心力、大承载、大阻尼、高内阻的显著特点，1400 mm超长末级动叶的开发成功，从低压模块叶片的各级通流匹配、末级叶片流道的全三维气动设计、叶片的强度及振动设计、叶根与轮缘设计以及优良的结构设计等方面均达到世界先进水平。末级叶片结构采用斜置式枞树型叶根、自锁式围带及拉筋结构，在叶片的开发过程中，对型线设计、叶根结构、围带结构方面进行开拓式创新设计。钢制1400 mm末级叶片结构如图1所示。

表1 湿冷汽轮机3000 r/min钢制末级长叶片系列Table 1 3000 r/min last stage blade series made by steel of wet cooling gas turbine

1.1 叶根结构设计

钢制1400 mm末级离心力巨大，工作状况下单只叶片离心力达1000 t以上。为满足动叶片叶根强度安全性要求，采用遗传算法优化了叶根型线的各基本尺寸参数，解决了叶根轮槽部位的大承载、高应力集中、载荷分配等问题。图2为钢制1400 mm末级动叶叶根结构及各基本参数。

图1 钢制1400 mm末级叶片结构Figure 1 Structure of 1400 mm last stage blade made by steel

图2 钢制1400 mm叶片叶根结构Figure 2 Structure of 1400 mm blade bottom made by steel

图3 厚窄型围带结构设计Figure 3 Structure design of thick and narrow shroud

1.2 围带结构设计

钢制1400 mm叶片围带结构特点是厚窄型围带设计，变间隙设计。宽度设计为窄型设计，在不削弱刚度强度的前提下，最大限度的减小宽度。使体积尽量小，降低了离心力；厚度设计为加厚型设计，提高了叶片围带的调频质量，优化了末级叶片的调频特性。围带变间隙设计改善了叶片升速过程中，叶片在离心载荷、气流载荷和扭转恢复的综合作用下变形导致围带接触状况不良的缺点，极大的提高了叶片的接触状况。厚窄型围带结构设计如图3所示。

2 材料选取

钢制1400 mm末级叶片材料采用高强度合金钢PH13-8Mo，屈服强度达到1310 MPa。东汽目前1400 mm超长末级叶片材料采用的是美国ATI公司的原材料板材，是采用双真空冶炼的高纯净度马氏体时效不锈钢。它的突出特点是，除高强度外，还具有优良的断裂韧性，良好的横向力学性能和在海洋环境中的耐应力腐蚀性能。该材料广泛应用于航空航天中抗腐蚀的、高强度的结构件。

图4 各截面叠合图和三维成型图Figure 4 Combined drawing of sections and three dimension modeling

(a)5%叶高(b)50%叶高(c)95%叶高图5 不同叶高相对马赫数分布Figure 5 Relative mach number distribution of different blade heights

3 1400 mm末级叶片气动性能

动叶根部叶型采用优化的收缩通道叶型，中上部叶型采用先进的适合跨音速流动的背弧斜切部分为直线的缩放通道叶型，实现了与相应的马赫数匹配最佳，具有良好的气动性能和变工况性能。图4为动叶各截面的叠合图和三维成型图。

叶型是在流型优化设计基础上，采用最新的全三维粘性流场解析技术，分析了全三维流场特性，并根据计算分析结果，精调了叶型及成型规律，使全三维流场特性达到最佳。最终确定的叶型和成型规律，具有优良的气动性能。

叶型相对叶高5%、50%和95%的相对马赫数分布见图5。

4 1400 mm末级叶片强度性能

采用最新强度解析技术和常规强度全面评估了钢制1400 mm末级叶片的强度性能，得到的强度结果显示满足设计要求。叶片各个部位的等效应力均小于材料的屈服强度。叶身和叶根等效应力分布如图6所示。

(a)叶身(b)叶根图6 等效应力分布Figure 6 Equivalent stress distribution

5 成圈叶片的振动性能

末级叶片通过连接件结构在工作转速下实现了叶片与叶片之间的制约机制，形成整圈联接结构(CCB)。采用经过实际负荷试验结果验证的三维有限元法(CAE)，同时考虑了气动弹性变形，对末级整圈叶片振动频率进行了详细分析。计算结果显示在2820～3090 r/min的转速范围内无三重点共振，振动特性优良，见图7。

围带结构采用厚窄型围带结构设计，围带厚度为加厚型设计，有效改善了超长末级叶片存在的调频空间较窄的缺点，提高了末级叶片的振动安全性能。围带调频特性对比见图8。

图7 整圈叶片频率特性Figure 7 Frequency characteristics of continuously coupled blade

图8 围带调频特性对比Figure 8 Shroud tuned frequency characteristics contrast

图9 转子系统整体模型Figure 9 Integral model of rotor system

图10 部分耦合扭振振型图Figure 10 Vibration shape of a part of coupled torsion vibration

6 1400 mm叶片轴系扭振安全性能

使用分层二重模态综合法，对大型汽轮机发电机转子-末级叶片耦合系统进行轴系耦合扭振频率分析及扭振动响应分析，并进行安全性评判。转子系统整体模型见图9。图10是计算得到的部分耦合扭振振型图，谐响应分析得到的叶片叶根倒角过渡部位的应力见图11，假定每年启停30次和运行8000 h的条件下，为了保证叶片安全性，设定叶片损耗到68%年份即为叶片寿命，评估可得最低寿命约为740年，表明钢制1400 mm末级叶片与轴系的耦合扭振满足设计要求。

图11 扭振动响应叶型部位应力及寿命评估图Figure 11 Blade shape stress of torsion vibration response and life evaluation

7 气动、强度振动性能试验验证

钢制1400 mm末级动叶开发成功，离不开严谨的试验验证，对末级开展试验主要有：超音速叶栅吹风试验，叶根与轮槽平板应力试验，叶根与轮缘平板模型拉断试验。对钢制1400 mm末级动叶的气动、强度性能试验表明，该叶片气动性能优良，叶片叶根结构设计先进，具有足够的强度安全裕量。

7.1 超音速叶栅吹风试验

对钢制1400 mm末级动、静叶片典型截面的4套超音速平面叶栅分别进行了试验件设计、加工和平面叶栅吹风试验。通过平面叶栅吹风试验，得到了气流流经叶片槽道时的叶片表面马赫数分布、叶栅总压损失系数、叶栅能量损失系数、叶栅出口气流角等气动性能试验数据，为叶型的设计提供重要的气动参考数据，也进一步验证了1400 mm末级叶片具有优良的气动性能。叶栅纹影照片如图12所示。

图12 叶栅纹影照片Figure 12 Blade grid shadow

7.2 叶根与轮槽平板应力试验

钢制1400 mm末级叶片叶根轮缘应力试验采用全尺寸型线的薄板模型，研究叶根特征截面的应力。试验件与产品型线比例为1∶1。为了掌握工作状态下动叶片叶根、轮缘部位的应力分布，对叶片叶根轮槽型线进行薄板应力测试试验，试验中叶根应力测量部位及试验得到的结果见图13。

7.3 叶根与轮缘平板模型拉断试验

为了确定叶根与叶轮轮缘的极限载荷、验证应力计算结果以及掌握叶根和轮缘的薄弱位置，特别进行了平板模型强度拉断试验研究。钢制1400 mm叶片叶根与轮缘应变测试结果如图14所示。试验结果表明：工作状况下1400 mm末级叶片叶根强度有足够的安全裕度。

图13 叶片叶根与轮缘应变测试与结果Figure 13 Testing result of blade root and flange strain

图14 钢制1400 mm叶片叶根与轮缘应变测试结果Figure 14 Strain testing result of 1400 mm steel blade root and flange

7.4 整圈动调频试验

新开发的末级叶片一般都要经过动调频试验以确保叶片在2820～3090 r/min区间内无三重点共振。

8 叶片防水蚀措施

钢制1400 mm末级叶片采用的防水蚀措施为叶顶进汽边激光熔覆合金粉。该防水蚀措施具有优良的抗疲劳及抗应力腐蚀性能，运行安全可靠。在叶片毛坯表面上放置合金材料，经激光辐照使合金粉与叶片毛坯表面一薄层同时熔化，并快速凝固后形成表面涂层，从而显著改善叶片表面的抗疲劳和抗应力腐蚀性能。

9 结论

钢制1400 mm末级叶片是一只先进的、高效的、安全可靠的、适用于大型湿冷汽轮机的专用汽轮机末级叶片，该叶片不仅具有先进的叶片结构，

而且其气动性能优良、强度振动性能可靠，得到了相关的气动和强度振动试验验证。

钢制1400 mm钢制超长末级叶片的研制不仅满足了大容量机组对末级长叶片的需要，完善了公司末级叶片系列，提高了公司的综合实力和品牌效应。

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