汽輪機(jī)末級葉片防蝕片低應(yīng)力集中鑲嵌結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型涉及核電站汽輪機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)領(lǐng)域，具體一種汽輪機(jī)末級葉片 防蝕片低應(yīng)力集中鑲嵌結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002] 汽輪機(jī)是將蒸汽熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的旋轉(zhuǎn)式動力機(jī)械設(shè)備，汽輪機(jī)末級葉片和次 末級葉片（以下統(tǒng)稱末級葉片)是關(guān)鍵和精細(xì)部件之一，如圖1所示。水蒸汽在汽輪機(jī)內(nèi)膨脹 做功，水滴凝結(jié)析出使水蒸氣濕度增大并在汽輪機(jī)靜葉部位形成水膜。在水蒸汽流作用下， 水膜從靜葉表面脫離和運(yùn)動，并破碎成直徑數(shù)十至數(shù)百M(fèi)i水滴。水滴撞擊末級葉片表面時， 由球狀變成膜狀，在與末級葉片接觸面形成的壓強(qiáng)使葉片材料發(fā)生局部塑性變形和應(yīng)變硬 化。在汽輪機(jī)運(yùn)行期間水滴撞擊的連續(xù)作用下，葉片局部材料因疲勞累計損傷從葉片表面 脫離形成水滴沖蝕(簡稱水蝕）。水蝕主要發(fā)生在末級葉片頂部的進(jìn)汽邊，所造成的鋸齒狀 材料缺失表面會造成應(yīng)力集中和葉型截面面積減小，從而影響葉片的振動特性、減小葉片 受力橫截面積、使葉柵氣動性能惡化、級效率下降，嚴(yán)重時會導(dǎo)致末級葉片頂部斷裂事故發(fā) 生。
[0003] 水蝕防護(hù)是汽輪機(jī)末級葉片普遍存在的難題。針對汽輪機(jī)末級葉片水蝕防護(hù)，目 前采取在葉片增加表面防護(hù)層將葉片與水蝕介質(zhì)隔開的措施。主要措施有葉片頂部鑲嵌防 蝕片、表面淬硬、電火花強(qiáng)化、涂層、電子束表面處理等。末級葉片和次末級葉片頂部鑲嵌防 蝕片，是應(yīng)用歷史較長、較為經(jīng)濟(jì)的措施。
[0004] 末級葉片和次末級葉片頂部司太立合金片鑲嵌工藝技術(shù)，一般是在葉片頂部的進(jìn) 汽邊及背弧側(cè)葉型上機(jī)械加工出一個L形包角凹槽，采用銀釬焊將長條狀兩面包角形司太 立合金片鑲嵌在凹槽中，使司太立合金片成為葉片葉型整體的一部分。具體結(jié)構(gòu)見圖2至圖 4
[0005] 現(xiàn)有末級葉片頂部司太立合金片鑲嵌工藝技術(shù)存在的不足之處，是司太立合金片 鑲嵌凹槽結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中系數(shù)較大，凹槽根部成為葉片結(jié)構(gòu)可靠性薄弱部位，疲勞裂紋在 此凹槽根部萌生和擴(kuò)展，已經(jīng)多次導(dǎo)致過汽輪機(jī)末級葉片頂部斷裂事故的發(fā)生，包括國內(nèi)、 外核電汽輪機(jī)末級葉片。 【實用新型內(nèi)容】
[0006] 本實用新型的目的是針對現(xiàn)有汽輪機(jī)末級葉片和次末級葉片頂部防蝕片鑲嵌結(jié) 構(gòu)存在應(yīng)力集中系數(shù)過大可能導(dǎo)致材料疲勞裂紋在此鑲嵌結(jié)構(gòu)部位的萌生和擴(kuò)展進(jìn)而導(dǎo) 致葉片頂部斷裂的問題，克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種汽輪機(jī)末級葉片防蝕片低應(yīng)力集 中度鑲嵌結(jié)構(gòu)，防止汽輪機(jī)末級葉片頂部斷裂事故的發(fā)生。
[0007] 本實用新型是這樣實現(xiàn)的：
[0008] -種汽輪機(jī)末級葉片防蝕片低應(yīng)力集中鑲嵌結(jié)構(gòu)，在汽輪機(jī)末級葉片頂部的進(jìn)氣 邊和背弧側(cè)葉型上開有L形包角的防蝕片鑲嵌凹槽。背弧側(cè)的防蝕片鑲嵌凹槽長度為L1。進(jìn) 氣邊的防蝕片鑲嵌凹槽長度為L1+L2,由頂部至根部依次為L1范圍和L2范圍。在進(jìn)氣邊的防 蝕片鑲嵌凹槽的根部開有圓角R。防蝕片鑲嵌凹槽深度為t。長度為L1、厚度為t的長條狀兩 面包角形司太立合金片鑲嵌在防蝕片鑲嵌凹槽中，覆蓋背弧側(cè)的防蝕片鑲嵌凹槽和進(jìn)氣邊 的防蝕片鑲嵌凹槽的L1范圍。進(jìn)氣邊的防蝕片鑲嵌凹槽的L2范圍采用銀釬料焊接填充。
[0009] 如上所述的防蝕片鑲嵌凹槽長度L1長度為90mm，圓角R的尺寸為10mm，防蝕片鑲嵌 凹槽深度t為1mm，進(jìn)氣邊的防蝕片鑲嵌凹槽長度與背弧側(cè)的防蝕片鑲嵌凹槽長度的差值L2 為10mm〇
[0010] 本實用新型的有益效果是：
[0011] 本實用新型具有如下優(yōu)勢：
[0012] (1)汽輪機(jī)末級葉片防蝕片采用低應(yīng)力集中鑲嵌結(jié)構(gòu)，提高葉片機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有 可靠性，提高了汽輪機(jī)運(yùn)行的安全性和可靠性，有效防止汽輪機(jī)末級葉片頂部斷裂事故的 發(fā)生，具有重要的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。
[0013] (2)汽輪機(jī)末級葉片防蝕片低應(yīng)力集中鑲嵌結(jié)構(gòu)已用于秦山第二核電廠核電汽輪 機(jī)，其效果得到了實際的工程驗證。
[0014] (3)汽輪機(jī)末級葉片防蝕片低應(yīng)力集中鑲嵌結(jié)構(gòu)已在中國核能電力股份有限公司 其它一部分核電汽輪機(jī)末級葉片優(yōu)化設(shè)計上得到推廣應(yīng)用。
【附圖說明】
[0015] 圖1是典型的汽輪機(jī)末級葉片結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016] 圖2是典型的汽輪機(jī)末級葉片頂部防蝕片鑲嵌結(jié)構(gòu)的示意圖；
[0017] 圖3是典型的汽輪機(jī)末級葉片頂部防蝕片鑲嵌結(jié)構(gòu)的Q-Q向視圖；
[0018] 圖4是典型的汽輪機(jī)末級葉片頂部防蝕片鑲嵌結(jié)構(gòu)的T-T向視圖；
[0019] 圖5是本發(fā)明的汽輪機(jī)末級葉片防蝕片低應(yīng)力集中鑲嵌結(jié)構(gòu)的示意圖；
[0020] 圖6是本發(fā)明的汽輪機(jī)末級葉片防蝕片低應(yīng)力集中鑲嵌結(jié)構(gòu)的Q-Q向視圖；
[0021]圖7是本發(fā)明的汽輪機(jī)末級葉片防蝕片低應(yīng)力集中鑲嵌結(jié)構(gòu)的T-T向視圖。
【具體實施方式】
[0022] 下面結(jié)合附圖和實施例對本實用新型進(jìn)行進(jìn)一步描述。
[0023] 如圖5至圖7所示，一種汽輪機(jī)末級葉片防蝕片低應(yīng)力集中鑲嵌結(jié)構(gòu)，在汽輪機(jī)末 級葉片頂部的進(jìn)氣邊和背弧側(cè)葉型上開有L形包角的防蝕片鑲嵌凹槽。背弧側(cè)的防蝕片鑲 嵌凹槽長度為L1。進(jìn)氣邊的防蝕片鑲嵌凹槽長度為L1+L2,由頂部至根部依次為L1范圍和L2 范圍。在進(jìn)氣邊的防蝕片鑲嵌凹槽的根部開有圓角R。防蝕片鑲嵌凹槽深度為t。長度為L1、 厚度為t的長條狀兩面包角形司太立合金片鑲嵌在防蝕片鑲嵌凹槽中，覆蓋背弧側(cè)的防蝕 片鑲嵌凹槽和進(jìn)氣邊的防蝕片鑲嵌凹槽的L1范圍。進(jìn)氣邊的防蝕片鑲嵌凹槽的L2范圍采用 銀釬料焊接填充。
[0024] 對于具體型號的汽輪機(jī)末級葉片，通過現(xiàn)有方法進(jìn)行建模分析或利用經(jīng)驗公式計 算，來確定圓角R、防蝕片鑲嵌凹槽深度t、背弧側(cè)的防蝕片鑲嵌凹槽長度L1和進(jìn)汽邊的防蝕 片鑲嵌凹槽長度大于背弧側(cè)的防蝕片鑲嵌凹槽長度L2。
[0025] (1)末級葉片水蝕危險性評價
[0026]通過計算末級葉片材料水蝕系數(shù)E來判斷末級葉片水蝕危險性；國內(nèi)外主要有德 國KWH、美國西屋公司和瑞士 BBC公司提出了水蝕系數(shù)E經(jīng)驗公式。本發(fā)明根據(jù)級后蒸汽濕度 及大水滴在整個水分中所占比重沿葉高的變化曲線，采用準(zhǔn)確度相對較高的德國KWH公司 的水蝕系數(shù)E經(jīng)驗公式：
[0028]式中：
[0029] E-葉片材料水蝕系數(shù)；
[0030] yQ-級前濕度；
[0031] po-級前蒸汽靜壓，MPa;
[0032] D-葉片工作部分截面直徑，m;
[0033] n一汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min。
[0034] 計算得出E，評價原則為E > 0.3的葉片高度范圍應(yīng)采取水蝕防護(hù)措施，由此得出加 裝防蝕片合金槽背弧側(cè)長度L1。
[0035] (2)鑲嵌結(jié)構(gòu)的有限元分析
[0036]建立末級葉片的三維模型，采用ANSYS軟件進(jìn)行有限元分析。保持L1不變，對R、t、 L2的不同組合，計算末級葉片工作靜應(yīng)力和動應(yīng)力。
[0037] (3)鑲嵌結(jié)構(gòu)的設(shè)計優(yōu)化
[0038]根據(jù)鑲嵌結(jié)構(gòu)有限元分析得出的靜應(yīng)力和動應(yīng)力相對大小，并考慮末級葉片機(jī)械 加工的便利性，最終得到R、t和L2,完成防蝕片低應(yīng)力集中鑲嵌結(jié)構(gòu)的定型設(shè)計。
[0039]采用上述方法計算Ll、R、t、L2具體數(shù)值的實施例：
[0040] (1)采用KWH公司的水蝕系數(shù)E經(jīng)驗公式，計算得出秦山第二核電廠650MW核電汽輪 機(jī)優(yōu)化型479.3mm次末級葉片加裝防蝕片合金槽背弧側(cè)長度L1 =91.07mm，實際取值90mm。
[0041] (2)采用ANSYS軟件進(jìn)行有限元分析，計算得出R=10mm、t = lmm(t值是根據(jù)次末級 葉片長期實際運(yùn)行水蝕情況確定的）和L2 = 10mm為最優(yōu)：凹槽根部局部最大靜應(yīng)力值和最 大動力值分別為111 .9MPa和1.19MPa，而原設(shè)計(Ll = 150mm，t = l .7mm)凹槽根部局部最大 靜應(yīng)力值和最大動力值分別為188 ? 7MPa和2 ? 387MPa。
【主權(quán)項】
1. 一種汽輪機(jī)末級葉片防蝕片低應(yīng)力集中鑲嵌結(jié)構(gòu)，其特征在于:在汽輪機(jī)末級葉片 頂部的進(jìn)氣邊和背弧側(cè)葉型上開有L形包角的防蝕片鑲嵌凹槽，背弧側(cè)的防蝕片鑲嵌凹槽 長度為L1，進(jìn)氣邊的防蝕片鑲嵌凹槽長度為L1+L2,由頂部至根部依次為L1范圍和L2范圍， 在進(jìn)氣邊的防蝕片鑲嵌凹槽的根部開有圓角R，防蝕片鑲嵌凹槽深度為t，長度為L1、厚度為 t的長條狀兩面包角形司太立合金片鑲嵌在防蝕片鑲嵌凹槽中，覆蓋背弧側(cè)的防蝕片鑲嵌 凹槽和進(jìn)氣邊的防蝕片鑲嵌凹槽的L1范圍，進(jìn)氣邊的防蝕片鑲嵌凹槽的L2范圍采用銀釬料 焊接填充。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的汽輪機(jī)末級葉片防蝕片低應(yīng)力集中鑲嵌結(jié)構(gòu)，其特征在于:所 述的防蝕片鑲嵌凹槽長度L1長度為90mm，圓角R的尺寸為10mm，防蝕片鑲嵌凹槽深度t為 1mm，進(jìn)氣邊的防蝕片鑲嵌凹槽長度與背弧側(cè)的防蝕片鑲嵌凹槽長度的差值L2為10mm。
【專利摘要】本實用新型涉及核電站汽輪機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)領(lǐng)域，具體一種汽輪機(jī)末級葉片防蝕片低應(yīng)力集中鑲嵌結(jié)構(gòu)，目的是針對現(xiàn)有汽輪機(jī)末級葉片和次末級葉片頂部防蝕片鑲嵌結(jié)構(gòu)存在應(yīng)力集中系數(shù)過大可能導(dǎo)致材料疲勞裂紋在此鑲嵌結(jié)構(gòu)部位的萌生和擴(kuò)展進(jìn)而導(dǎo)致葉片頂部斷裂的問題，克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷。本實用新型的汽輪機(jī)末級葉片防蝕片采用低應(yīng)力集中鑲嵌結(jié)構(gòu)，提高葉片機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有可靠性，提高了汽輪機(jī)運(yùn)行的安全性和可靠性，有效防止汽輪機(jī)末級葉片頂部斷裂事故的發(fā)生；本實用新型已用于秦山第二核電廠核電汽輪機(jī)，其效果得到了實際的工程驗證。
【IPC分類】F01D5/28
【公開號】CN205349428
【申請?zhí)枴緾N201521070982
【發(fā)明人】張興田, 丁有元, 方江, 薛新才, 李邱達(dá), 岳興華
【申請人】中核核電運(yùn)行管理有限公司, 核電秦山聯(lián)營有限公司
【公開日】2016年6月29日
【申請日】2015年12月21日