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【摘要】从研发开始就以低成本、高性能的钢制叶片取代钛合金叶片的联合开发。来自公司的热平衡、空气动力学设计、结构设计和材料开发等部门的技术人员组成了开发队伍，开始了对40英寸/48英寸末级叶片系列的开发工作。
【关键词】汽轮机；末级叶片；开发与应用
1.前言
公司开发了火电站汽轮机用长度为48英寸和40英寸，且具有世界最大环形排汽面积和高性能的末级钢制叶片系列。自从开始着手设计首台应用该长叶片、且面向市场的联合循环汽轮机，该机组开始进入调试阶段。本文概述了该叶片的开发和实际应用情况。
2.开发要点
开发具有更大环形面积和高性能的末级动叶是提高汽轮机性能的有效手段。叶片长度和环形面积应该通过综合考虑材料强度设计、结构设计和性能来选定，而50Hz48英寸叶片的环形面积为11.9m2，是世界上最长的钢制末级叶片。
通过减薄叶型厚度同时实现了减轻重量和提高空气动力学性能等目标。结构与运行业绩的高可靠性钛合金40英寸末级叶片基本相同，也采用弧形枞树型叶根，具有高减振能力的整圈连接式整体围带，以及拉筋凸耳/套筒等结构。
末级的设计点通过环形面积除以质量流量得出的端面载荷以及环形面积除以容积流量得出的排汽轴向速度表示。该设计点根据市场调查的结果确定，然后按照这一设计点进行了结构设计和空气动力学设计的优化。之后，又设定了高流量侧和低流量侧的设计点，并按照这两个设计点开始进行设计。运用以往空气动力学分析常用的3元流体数值解析和有限元结构分析方法，反复进行结构设计和空气动力学设计的优化，最终开发出了通流面积比原有42英寸叶片增加了25%的28英寸叶片。
在叶片材料方面，以具有良好耐腐蚀和耐侵蚀性、并拥有运行业绩的15Cr钢为基础优化了其成分，改进了热处理规范，从而抑制了其对应力腐蚀裂纹的敏感性，提高了强度。
在转子材料方面，以拥有大量应用业绩的3.5NiCrMo钢为基础，优化了其成分，改进了热处理规范，从而抑制了对应力腐蚀裂纹的敏感性，并提高了强度。
3.空气动力学设计
由于叶长的增加，导致了外径的加大，因此叶顶的圆周速度高达680m/s。另一方面，由于从静叶出来的回转分速使离心力均衡，因此叶片加长后，其根部侧静压变小，从而使根部侧的流动顺畅。另外，静叶出口速度增大，超过了音速。同时动叶顶部附近和根部附近的相对进口速度增大，也是导致损失增加的原因。因此，采取了对包括上游两级，即次末级（L-1）和次次末级（L-2）在内的三个级同时进行分析的方法，优化了上述各级的负荷分布、径向载荷以及流量分布，使末级动叶的进口速度均匀化，抑制了最大速度。此外，对末级采用了加大其周向弯曲的三维设计静叶，加上半径方向上的静压梯度减小，和静叶根部壁面的曲率，叶根侧静压变得更高.从而使动叶入口马赫数得到了抑制，改进了空气动力学性能。
各截面的马赫数分布用不同的颜色加以标识。动叶入口的马赫数，包含叶顶附近，全都达到了亚音速；面静叶出口的马赫数在根部侧超过了音速，与以前的设计相比，已经抑制在很低的水平。另外，为了缓解在动静叶出口速度超过了音速的那部分冲击波损失，采用了高性能的跨音速叶片。
4.结构设计
为了确保末级动叶的结构健全性，通过调频使旋转频率远离共振频率来降低离心应力和振动应力。在进行离心应力和振动特性分析时，通过采用最新的有限元分析方法对大量实测数据进行了验证。为了优化叶片的应力分布状况，最大应力已经降低到材料容许值的很低程度。此外，在叶根方面，在拥有丰富运行业绩的40英寸钛合金叶片叶根的基础上，优化了其形状，从而减少了局部应力。采用这种方法，通过优化叶片形状的参数，优化了其振动特性和静态应力，还确保了很高的失谐裕度和更高的可靠性。
在材料方面，进行了不同条件下的机械强度试验、疲劳试验、腐蚀试验、浸蚀试验，最终确定了材料制造要求。
5.验证试验
5.1回转振动试验
由具有实机尺寸的末级、次末级和次次末级组成的转子。通过制造实际尺寸的叶片和试验转子，确认了新开发的50Hz48英寸末级钢制叶片系列材料性能符合设计要求。此外，通过实际尺寸的叶片和转子的加工和装配，进一步确认了其可制造性和可装配性。
对按照模拟设计法开发的60Hz40英寸叶片，也通过制造实际大小的叶片和转子进行了同样的验证试验，并确认了其性能设计值。
5.2在低压试验透平上进行的试验
该试验装置按照1/3的比例制造利用来自锅炉的汽源，试验透平由安装试验对象的低压部分和与低压进口蒸汽参数相匹配的高压部分组成。为了能够单独测量末级的出力，该透平为分轴结构，其中末级位于单独的轴上。
在低压试验透平上进行的振动应力以及性能实测点。纵坐标表示真空度，横轴表示不同设计点的排汽轴向流速。测量范围很大，在振动应力；较大的低流量侧主要测量了随真空变化的振动应力；面在高流量侧主要测量了性能数据。
比较实测结果后，确认了级的性能大致都位于设计点周围。当排汽的轴向速度比小于0.74时，性能有所下降，但是其下降速度要比现有长叶片的小。从上述结果可看出，新开发的叶片应用于设计点或部分负荷下，其效率均较高。
根据逐点测量获得的动叶相对进口角沿叶展方向的分布状况与流体分析结果的比较。距离壁面15%处的实测数据均与预估值相当一致。动叶出口全压沿叶展方向的分布状况。其实测值和流体分析的预估值非常一致。从而确认了此次开发时采用三元流分析方法的正解性。
对于实机来说，叶片的振动应力与排汽压力有关，特别是在低流量区振动应力变大。通过验证试验，得到了在不同排汽压力和排汽轴向流速下的叶片振动数据。排汽压力保持不变的情况下，振动应力的测量结果示例。与以前的叶片相比，低流量区域的振动增量已被控制在较低的水中，而在高流量区域没有不稳定振动，且在整个运行范围内的振动应力也较低。证明在结构上具有自带围带和拉筋凸耳/套筒的整圈连接叶片的可靠性相当高。
6.在实机上的应用
本叶片首次应用在联合循环汽轮机上。其主蒸汽压力为12.02Mpa，主蒸汽温度/再热蒸汽温度为565/565°C采用单轴、两排汽结构。48英寸钢制叶片的应用，加上带去湿槽末级静叶和高性能排汽缸的应用，进一步提高了性能和可靠性。
7.结论
7.1公司开发了具有世界最大环形排汽面积的48英寸和40英寸末级钢制叶片。
7.2通过对实际大小的叶片和转子的制造、制造检验、回转试验等，确认其远离共振点。
7.3利用试验透平，确认符合通流部分高效率的设计要求。此外，还利用该试验透平进行了包括低流量区在内的大量振动应力测量，确认了在运行范围内具有充分的可靠性。
作者简介
王淑琴（1961.5）女，工程师，现主要从事汽轮机技术工作。
【关键词】汽轮机；末级叶片；开发与应用
1.前言
公司开发了火电站汽轮机用长度为48英寸和40英寸，且具有世界最大环形排汽面积和高性能的末级钢制叶片系列。自从开始着手设计首台应用该长叶片、且面向市场的联合循环汽轮机，该机组开始进入调试阶段。本文概述了该叶片的开发和实际应用情况。
2.开发要点
开发具有更大环形面积和高性能的末级动叶是提高汽轮机性能的有效手段。叶片长度和环形面积应该通过综合考虑材料强度设计、结构设计和性能来选定，而50Hz48英寸叶片的环形面积为11.9m2，是世界上最长的钢制末级叶片。
通过减薄叶型厚度同时实现了减轻重量和提高空气动力学性能等目标。结构与运行业绩的高可靠性钛合金40英寸末级叶片基本相同，也采用弧形枞树型叶根，具有高减振能力的整圈连接式整体围带，以及拉筋凸耳/套筒等结构。
末级的设计点通过环形面积除以质量流量得出的端面载荷以及环形面积除以容积流量得出的排汽轴向速度表示。该设计点根据市场调查的结果确定，然后按照这一设计点进行了结构设计和空气动力学设计的优化。之后，又设定了高流量侧和低流量侧的设计点，并按照这两个设计点开始进行设计。运用以往空气动力学分析常用的3元流体数值解析和有限元结构分析方法，反复进行结构设计和空气动力学设计的优化，最终开发出了通流面积比原有42英寸叶片增加了25%的28英寸叶片。
在叶片材料方面，以具有良好耐腐蚀和耐侵蚀性、并拥有运行业绩的15Cr钢为基础优化了其成分，改进了热处理规范，从而抑制了其对应力腐蚀裂纹的敏感性，提高了强度。
在转子材料方面，以拥有大量应用业绩的3.5NiCrMo钢为基础，优化了其成分，改进了热处理规范，从而抑制了对应力腐蚀裂纹的敏感性，并提高了强度。
3.空气动力学设计
由于叶长的增加，导致了外径的加大，因此叶顶的圆周速度高达680m/s。另一方面，由于从静叶出来的回转分速使离心力均衡，因此叶片加长后，其根部侧静压变小，从而使根部侧的流动顺畅。另外，静叶出口速度增大，超过了音速。同时动叶顶部附近和根部附近的相对进口速度增大，也是导致损失增加的原因。因此，采取了对包括上游两级，即次末级（L-1）和次次末级（L-2）在内的三个级同时进行分析的方法，优化了上述各级的负荷分布、径向载荷以及流量分布，使末级动叶的进口速度均匀化，抑制了最大速度。此外，对末级采用了加大其周向弯曲的三维设计静叶，加上半径方向上的静压梯度减小，和静叶根部壁面的曲率，叶根侧静压变得更高.从而使动叶入口马赫数得到了抑制，改进了空气动力学性能。
各截面的马赫数分布用不同的颜色加以标识。动叶入口的马赫数，包含叶顶附近，全都达到了亚音速；面静叶出口的马赫数在根部侧超过了音速，与以前的设计相比，已经抑制在很低的水平。另外，为了缓解在动静叶出口速度超过了音速的那部分冲击波损失，采用了高性能的跨音速叶片。
4.结构设计
为了确保末级动叶的结构健全性，通过调频使旋转频率远离共振频率来降低离心应力和振动应力。在进行离心应力和振动特性分析时，通过采用最新的有限元分析方法对大量实测数据进行了验证。为了优化叶片的应力分布状况，最大应力已经降低到材料容许值的很低程度。此外，在叶根方面，在拥有丰富运行业绩的40英寸钛合金叶片叶根的基础上，优化了其形状，从而减少了局部应力。采用这种方法，通过优化叶片形状的参数，优化了其振动特性和静态应力，还确保了很高的失谐裕度和更高的可靠性。
在材料方面，进行了不同条件下的机械强度试验、疲劳试验、腐蚀试验、浸蚀试验，最终确定了材料制造要求。
5.验证试验
5.1回转振动试验
由具有实机尺寸的末级、次末级和次次末级组成的转子。通过制造实际尺寸的叶片和试验转子，确认了新开发的50Hz48英寸末级钢制叶片系列材料性能符合设计要求。此外，通过实际尺寸的叶片和转子的加工和装配，进一步确认了其可制造性和可装配性。
对按照模拟设计法开发的60Hz40英寸叶片，也通过制造实际大小的叶片和转子进行了同样的验证试验，并确认了其性能设计值。
5.2在低压试验透平上进行的试验
该试验装置按照1/3的比例制造利用来自锅炉的汽源，试验透平由安装试验对象的低压部分和与低压进口蒸汽参数相匹配的高压部分组成。为了能够单独测量末级的出力，该透平为分轴结构，其中末级位于单独的轴上。
在低压试验透平上进行的振动应力以及性能实测点。纵坐标表示真空度，横轴表示不同设计点的排汽轴向流速。测量范围很大，在振动应力；较大的低流量侧主要测量了随真空变化的振动应力；面在高流量侧主要测量了性能数据。
比较实测结果后，确认了级的性能大致都位于设计点周围。当排汽的轴向速度比小于0.74时，性能有所下降，但是其下降速度要比现有长叶片的小。从上述结果可看出，新开发的叶片应用于设计点或部分负荷下，其效率均较高。
根据逐点测量获得的动叶相对进口角沿叶展方向的分布状况与流体分析结果的比较。距离壁面15%处的实测数据均与预估值相当一致。动叶出口全压沿叶展方向的分布状况。其实测值和流体分析的预估值非常一致。从而确认了此次开发时采用三元流分析方法的正解性。
对于实机来说，叶片的振动应力与排汽压力有关，特别是在低流量区振动应力变大。通过验证试验，得到了在不同排汽压力和排汽轴向流速下的叶片振动数据。排汽压力保持不变的情况下，振动应力的测量结果示例。与以前的叶片相比，低流量区域的振动增量已被控制在较低的水中，而在高流量区域没有不稳定振动，且在整个运行范围内的振动应力也较低。证明在结构上具有自带围带和拉筋凸耳/套筒的整圈连接叶片的可靠性相当高。
6.在实机上的应用
本叶片首次应用在联合循环汽轮机上。其主蒸汽压力为12.02Mpa，主蒸汽温度/再热蒸汽温度为565/565°C采用单轴、两排汽结构。48英寸钢制叶片的应用，加上带去湿槽末级静叶和高性能排汽缸的应用，进一步提高了性能和可靠性。
7.结论
7.1公司开发了具有世界最大环形排汽面积的48英寸和40英寸末级钢制叶片。
7.2通过对实际大小的叶片和转子的制造、制造检验、回转试验等，确认其远离共振点。
7.3利用试验透平，确认符合通流部分高效率的设计要求。此外，还利用该试验透平进行了包括低流量区在内的大量振动应力测量，确认了在运行范围内具有充分的可靠性。
作者简介
王淑琴（1961.5）女，工程师，现主要从事汽轮机技术工作。