一种适用于调峰半转速核电汽轮机次末级动叶的叶身结构的制作方法

1.本发明涉及核电汽轮机技术区域，特别涉及一种适用于调峰半转速核电汽轮机次末级动叶的叶身结构。


背景技术：

2.为调整能源结构，我国积极推进核电建设，在实现碳排放控制的前提下，满足经济和社会发展所带来的不断增长的能源需求。随着核电产业的蓬勃发展，核电机组的单机容量也逐渐提高，目前主流的核电功率等级集中在1000mw～1700mw范围内，因此针对该范围功率等级内的机组，提高发电效率、改善变工况特性，可显著加快我国核电发展，提升我国发电设备国际竞争力。
3.随着核电在电网中比重的增长，电力系统对核电机组参与电网调峰的需求日益增强。核电能否参与调峰运行，采用何种方式，对电网调峰平衡会带来的影响已成为需要高度关注的问题！汽轮机作为核电中的关键设备，其效率高低将直接影响机组整体的经济性能，对功率变化的适用性将决定核电调峰能力，并随着机组功率等级提高，汽轮机容量增大，其初参数提高，低压缸排气面积增大，末级和次末级叶片长度增加，叶片使用马赫数提高，对叶片气动性能和强度要求随之增加。因此，加大对适用于调峰的核电长叶片研制迫在眉睫。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于：针对上述问题提供一种具有优异的气动特性、能够适用于1000mw～1700mw等级核电机组的叶身结构。
5.本发明要解决的技术问题是通过以下技术方案来实现的：
6.一种适用于调峰半转速核电汽轮机次末级动叶的叶身结构，所述叶身结构由若干个特征截面按照规律叠合而成的变截面扭曲型线，所述动叶片的特征参数包括：叶身高度h；各所述特征截面的轮廓线是由内弧曲线和背弧曲线围成的封闭曲线，所述特征截面的特征参数包括：安装角c1、弦长b1、最大厚度w1、轴向宽度xa、截面积a，各所述特征截面的叠合规律是沿叶身高度方向自根端向顶端连续且平滑过渡，所述叶身高度h为967mm，顶部子午倾角d1
°
为25
°
，所述叶身高度h的相对值由0.0单调递增到1.03；安装角c1的绝对值由67.5
°
单调递减到23.3
°
；各所述特征截面的特征参数以根截面为基准，弦长b1的相对值从根截面到与之相近的x-x截面由1.0减小到0.99且弦长b1的相对值从x-x截面到顶截面由0.99单调递增到1.07；最大厚度w1的相对值从根截面到顶截面由1.0单调递减到0.24；轴向宽度xa的相对值从根截面到顶截面由1.0单调递减到0.47；截面积a的相对值从根截面到顶截面由1单调递减到0.23。
7.所述叶身结构由九个轮廓形状不同的特征截面沿叶身高度方向自根端向顶端连续且平滑过渡而成。
8.所述特征截面包括三个关键截面，所述关键截面包括位于0.0％叶身高度h处的b-b截面、位于53.0％叶身高度h处的m-m截面和位于103％叶身高度h处的t-t截面；各个关键
截面的理论轮廓线分别用若干个离散点的坐标(x、y)描述，并将各个离散点平滑连接起来，以获取对应关键截面的理论轮廓线。
9.各个所述关键截面的理论轮廓线分别用28个离散点的坐标(x、y)描述。
10.所述b-b截面的理论轮廓线用如下离散点的坐标(x、y)描述：(-116.055,-110.786)，(-117.83,-112.058)，(-119.927,-111.452)，(-120.75,-109.431)，(-120.59,-108.698)，(-107.556,-75.9117)，(-92.5527,-43.9856)，(-74.5255,-13.6774)，(-52.4094,13.76274)，(-25.3309,36.25969)，(6.757282,50.57765)，(41.74734,52.757)，(74.6563,40.73128)，(100.2513,16.78605)，(113.8459,-15.4597)，(113.5563,-15.9611)，(113.1652,-16.3879)，(112.691,-16.7201)，(112.5182,-16.8069)，(86.69513,-10.0211)，(60.16195,-7.14585)，(33.529,-8.86873)，(7.457915,-14.6149)，(-17.5962,-23.8462)，(-41.3123,-36.1186)，(-63.417,-51.1017)，(-83.603,-68.5829)，(-101.418,-88.4687)。
11.所述m-m截面的理论轮廓线用如下离散点的坐标(x、y)描述：(-85.2451,-146.838)，(-86.6261,-147.923)，(-88.331,-147.501)，(-89.0465,-145.897)，(-88.9348,-145.303)，(-78.0016,-116.515)，(-66.8707,-87.8034)，(-55.3224,-59.2571)，(-42.9823,-31.0455)，(-29.1712,-3.52939)，(-12.6704,22.44242)，(8.420228,44.76624)，(35.55985,58.82779)，(65.79783,57.47211)，(82.4394,34.19384)，(82.24031,33.78486)，(81.98372,33.40929)，(81.67511,33.07515)，(81.5618,32.97424)，(55.80604,32.90011)，(31.74208,22.91442)，(10.64069,7.516068)，(-7.86711,-10.9434)，(-24.1155,-31.4288)，(-38.4256,-53.3175)，(-51.2059,-76.1374)，(-62.9538,-99.5081)，(-74.1641,-123.142)。
12.所述t-t截面的理论轮廓线用如下离散点的坐标(x、y)描述：(-53.4816,-158.395)，(-54.4419,-159.327)，(-55.7648,-159.122)，(-56.3978,-157.943)，(-56.341,-157.486)，(-48.3708,-130.096)，(-40.3414,-102.724)，(-32.2676,-75.3645)，(-24.1231,-48.0261)，(-15.8197,-20.7357)，(-7.15734,6.442573)，(2.287198,33.3573)，(13.46029,59.59182)，(28.79489,83.5425)，(53.09775,92.28627)，(53.36251,91.81842)，(53.53212,91.30831)，(53.60021,90.77507)，(53.5998,90.59563)，(36.60023,69.45985)，(23.12219,45.77262)，(11.76406,20.98089)，(1.430747,-4.25794)，(-8.31454,-29.7303)，(-17.6889,-55.3417)，(-26.8184,-81.0415)，(-35.7868,-106.798)，(-44.6567,-132.589)。
13.各所述特征截面的轮廓线许有公差带，所述公差带的范围为：以对应特征截面的理论轮廓线的离散点为圆心，以半径0.3mm～0.8mm作包络圆所形成的轮廓形状范围以内。
14.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
15.1.本发明的次末级动叶片叶身具有多个特征截面，通过对各个特征截面的轮廓线的参数进行优化，使本发明所公开的次末级动叶片叶身具有优良的气动性能；同时，沿叶身高度方向的面积变化合理，叶身各个特征截面高阶光顺，亚音速、跨音速流动特性出色；各截面沿叶身高度积叠连续且光滑，面积分配合理，使本发明所公开的末级动叶片叶身具有强度裕度大，可靠性高的优点。
16.2.本发明所公开的叶身结构，能够适用于1500r/min转速、1000mw功率等级机组的
四排气低压缸，也可推广至1700mw功率等级机组的六排汽低压缸，为现有的大容量半转速核电机组的末级匹配了性能更加优异的次末级动叶，提高低压缸效率、改善变工况性能，满足市场经济性和电网调峰的需求，增加了我国发电设备的市场竞争力。
附图说明
17.图1是本发明的叶身的结构示意图；
18.图2是图1的俯视示意图；
19.图3是图1、图2中叶身结构的特征截面示意图；
20.图4是所有特征截面的叠合示意图；
21.附图标注：叶身高度-h，安装角-c1，弦长-b1，最大厚度-w1，轴向宽度-xa，截面积-a。
具体实施方式
22.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
23.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
24.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
25.在本发明实施方式的描述中，需要说明的是，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
26.如图1—图4所示，一种适用于调峰半转速核电汽轮机次末级动叶的叶身结构，对该动叶片的特性参数设计如下：基于工程所需边界条件，确定本套叶型适用于1500r/min转速、能够适用于1000mw～1700mw等级核电机组。其叶身高度967mm，顶部子午倾角d1
°
为25
°
，最佳马赫数范围0.8～1.1。几何进汽角的范围为40
°
～130
°
。
27.具体地，动叶片的叶身设计轮廓线采用三维造型软件获得9个特征截面，根据强度设计要求修改各截面的面积变化规律，得到满足强度要求的截面面积分布。然后采用全三维的计算流体力学仿真软件对叶片级进行气动分析，并根据级的流动特性，调整局部的叶型轮廓线，从而获得了符合根部亚声速、顶部跨声速流动特性的特征截面。然后采用全三维的计算流体力学仿真软件对叶片级进行气动分析叶身结构采用高阶b1ezier曲线及三阶c样条曲线对各特征截面进行了优化、光顺和局部微调。
28.如图1、图2所示，叶身由多个特征截面按照规律积叠而形成变截面扭曲型线，叶身的具体特征参数如下：叶身高度h，即叶身根截面与叶身顶截面之间的距离，叶身高度h等于967mm。
29.各特征截面的轮廓线由内弧曲线和背弧曲线组成的封闭曲线，主要包括弦长b1、安装角c1、最大厚度w1、轴向宽度xa、截面面积a。其中，安装角c1，即弦长与周向(y向)的夹角；弦长b1，即叶身截面进、出气边的距离；最大厚度w1，即叶身截面切向宽度；截面积a，即叶身横截面的面积；轴向宽度xa，即叶身截面的轴向宽度。
30.各特征截面的积叠规律是从根部到顶部沿叶身高度方向连续平滑过渡，叶身高度h的相对值由0.0单调递增到1.03；安装角c1的绝对值由67.5
°
单调递减到23.3
°
；各特征截面的特征参数以根截面为基准，弦长b1的相对值从根截面到与之相近的x-x截面由1.0减小到0.99且弦长b1的相对值从x-x截面到顶截面由0.99单调递增到1.07；最大厚度w1的相对值从根截面到顶截面由1.0单调递减到0.24；轴向宽度xa的相对值从根截面到顶截面由1.0单调递减到0.47；截面积a的相对值从根截面到顶截面由1单调递减到0.23。
31.采用如下方式确定关键截面，如图4所示，叶身结构由9个轮廓形状不同的特征截面沿叶身高度h方向自根端向顶端连续且平滑过渡而成，令各特征截面由根部到顶部的排列顺序为1～9；如表1所示，特征截面包括三个关键截面(如图1)，所述关键截面包括位于0.0％叶身高度h处的b-b截面、位于53.0％叶身高度h处的m-m截面和位于103％叶身高度h处的t-t截面；各个关键截面的理论轮廓线分别用若干个离散点的坐标(x、y)描述，并将各个离散点平滑连接起来，以获取对应关键截面的理论轮廓线。
32.表1三个关键截面在叶身高度h上的相对高度
33.截面名称相对叶高高度b-b0.0％m-m53.0％t-t103
34.如表2所示，b-b截面、m-m截面以及t-t截面的理论轮廓线分别用如下离散点的坐标(x、y)描述：
35.表2三个关键截面的离散点坐标数据
36.[0037][0038]
各所述特征截面的轮廓线实际尺寸许有公差带，所述公差带的范围为：以对应特征截面的理论轮廓线的离散点为圆心，以半径0.3mm～0.8mm作包络圆所形成的轮廓形状范围以内。上述只是最优的方案，还可以是，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尺寸的范围以内。
[0039]
以本实施例所提供的叶身结构为基础设计出的适用于调峰半转速核电汽轮机次末级动叶的叶身结构，其不但具有先进的气动特性，而且能满足强度要求。
[0040]
以上具体技术方案仅用以说明本发明，而非对其限制；尽管参照上述具体技术方案对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：本发明依然可以对上述具体技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明的精神和范围。

技术特征：
1.一种适用于调峰半转速核电汽轮机次末级动叶的叶身结构，所述叶身结构由若干个特征截面按照规律叠合而成的变截面扭曲型线，所述动叶片的特征参数包括：叶身高度h；各所述特征截面的轮廓线是由内弧曲线和背弧曲线围成的封闭曲线，所述特征截面的特征参数包括：安装角c1、弦长b1、最大厚度w1、轴向宽度xa、截面积a，各所述特征截面的叠合规律是沿叶身高度方向自根端向顶端连续且平滑过渡，其特征在于：所述叶身高度h为967mm，顶部子午倾角d1
°
为25
°
，所述叶身高度h的相对值由0.0单调递增到1.03；安装角c1的绝对值由67.5
°
单调递减到23.3
°
；各所述特征截面的特征参数以根截面为基准，弦长b1的相对值从根截面到与之相近的x-x截面由1.0减小到0.99且弦长b1的相对值从x-x截面到顶截面由0.99单调递增到1.07；最大厚度w1的相对值从根截面到顶截面由1.0单调递减到0.24；轴向宽度xa的相对值从根截面到顶截面由1.0单调递减到0.47；截面积a的相对值从根截面到顶截面由1单调递减到0.23。2.根据权利要求1所述的适用于调峰半转速核电汽轮机次末级动叶的叶身结构，其特征在于：所述叶身结构由九个轮廓形状不同的特征截面沿叶身高度方向自根端向顶端连续且平滑过渡而成。3.根据权利要求1或2所述的适用于调峰半转速核电汽轮机次末级动叶的叶身结构，其特征在于：所述特征截面包括三个关键截面，所述关键截面包括位于0.0％叶身高度h处的b-b截面、位于53.0％叶身高度h处的m-m截面和位于103%叶身高度h处的t-t截面；各个关键截面的理论轮廓线分别用若干个离散点的坐标(x、y)描述，并将各个离散点平滑连接起来，以获取对应关键截面的理论轮廓线。4.根据权利要求3所述的适用于调峰半转速核电汽轮机次末级动叶的叶身结构，其特征在于，各个所述关键截面的理论轮廓线分别用28个离散点的坐标(x、y)描述。5.根据权利要求3所述的适用于调峰半转速核电汽轮机次末级动叶的叶身结构，其特征在于：所述b-b截面的理论轮廓线用如下离散点的坐标(x、y)描述：（-116.055,
ꢀ‑
110.786），（-117.83,
ꢀ‑
112.058），（-119.927,
ꢀ‑
111.452），（-120.75,
ꢀ‑
109.431），（-120.59,
ꢀ‑
108.698），（-107.556,
ꢀ‑
75.9117），（-92.5527,
ꢀ‑
43.9856），（-74.5255,
ꢀ‑
13.6774），（-52.4094, 13.76274），（-25.3309, 36.25969），（6.757282, 50.57765），（41.74734, 52.757），（74.6563, 40.73128），（100.2513, 16.78605），（113.8459,
ꢀ‑
15.4597），（113.5563,
ꢀ‑
15.9611），（113.1652,
ꢀ‑
16.3879），（112.691,
ꢀ‑
16.7201），（112.5182,
ꢀ‑
16.8069），（86.69513,
ꢀ‑
10.0211），（60.16195,
ꢀ‑
7.14585），（33.529,
ꢀ‑
8.86873），（7.457915,
ꢀ‑
14.6149），（-17.5962,
ꢀ‑
23.8462），（-41.3123,
ꢀ‑
36.1186），（-63.417,
ꢀ‑
51.1017），（-83.603,
ꢀ‑
68.5829），（-101.418,
ꢀ‑
88.4687）。6.根据权利要求3所述的适用于调峰半转速核电汽轮机次末级动叶的叶身结构，其特征在于：所述m-m截面的理论轮廓线用如下离散点的坐标(x、y)描述：（-85.2451,
ꢀ‑
146.838），（-86.6261,
ꢀ‑
147.923），（-88.331,
ꢀ‑
147.501），（-89.0465,
ꢀ‑
145.897），（-88.9348,
ꢀ‑
145.303），（-78.0016,
ꢀ‑
116.515），（-66.8707,
ꢀ‑
87.8034），（-55.3224,
ꢀ‑
59.2571），（-42.9823,
ꢀ‑
31.0455），（-29.1712,
ꢀ‑
3.52939），（-12.6704, 22.44242），（8.420228, 44.76624），（35.55985, 58.82779），（65.79783, 57.47211），（82.4394, 34.19384），（82.24031, 33.78486），（81.98372, 33.40929），（81.67511, 33.07515），（81.5618, 32.97424），（55.80604, 32.90011），（31.74208, 22.91442），
（10.64069, 7.516068），（-7.86711,
ꢀ‑
10.9434），（-24.1155,
ꢀ‑
31.4288），（-38.4256,
ꢀ‑
53.3175），（-51.2059,
ꢀ‑
76.1374），（-62.9538,
ꢀ‑
99.5081），（-74.1641,
ꢀ‑
123.142）。7.根据权利要求3所述的适用于调峰半转速核电汽轮机次末级动叶的叶身结构，其特征在于：所述t-t截面的理论轮廓线用如下离散点的坐标(x、y)描述：（-53.4816,
ꢀ‑
158.395），（-54.4419,
ꢀ‑
159.327），（-55.7648,
ꢀ‑
159.122），（-56.3978,
ꢀ‑
157.943），（-56.341,
ꢀ‑
157.486），（-48.3708,
ꢀ‑
130.096），（-40.3414,
ꢀ‑
102.724），（-32.2676,
ꢀ‑
75.3645），（-24.1231,
ꢀ‑
48.0261），（-15.8197,
ꢀ‑
20.7357），（-7.15734, 6.442573），（2.287198, 33.3573），（13.46029, 59.59182），（28.79489, 83.5425），（53.09775, 92.28627），（53.36251, 91.81842），（53.53212, 91.30831），（53.60021, 90.77507），（53.5998, 90.59563），（36.60023, 69.45985），（23.12219, 45.77262），（11.76406, 20.98089），（1.430747,
ꢀ‑
4.25794），（-8.31454,
ꢀ‑
29.7303），（-17.6889,
ꢀ‑
55.3417），（-26.8184,
ꢀ‑
81.0415），（-35.7868,
ꢀ‑
106.798），（-44.6567,
ꢀ‑
132.589）。8.根据权利要求1或2所述的适用于调峰半转速核电汽轮机次末级动叶的叶身结构，其特征在于：各所述特征截面的轮廓线许有公差带，所述公差带的范围为：以对应特征截面的理论轮廓线的离散点为圆心，以半径0.3mm～0.8mm作包络圆所形成的轮廓形状范围以内。

技术总结
本发明公开了一种适用于调峰半转速核电汽轮机次末级动叶的叶身结构，叶身结构由若干个特征截面按照规律叠合而成的变截面扭曲型线，特征截面的特征参数包括：安装角c1、弦长b1、最大厚度w1、轴向宽度Xa、截面积A；叶身高度H为967mm，顶部子午倾角d1


技术研发人员：钟主海 朱莹 魏艳 孙奇 范小平 杨长柱 江生科 杜小琴 平艳 田朝阳 白昆仑 张德昭 邹昆
受保护的技术使用者：东方电气集团东方汽轮机有限公司
技术研发日：2022.11.28
技术公布日：2023/6/14