汽轮机末级叶片防蚀片低应力集中镶嵌结构的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及核电站汽轮机机械结构设计技术领域，具体一种汽轮机末级叶片 防蚀片低应力集中镶嵌结构。
【背景技术】
[0002] 汽轮机是将蒸汽热能转化为机械能的旋转式动力机械设备，汽轮机末级叶片和次 末级叶片（以下统称末级叶片)是关键和精细部件之一，如图1所示。水蒸汽在汽轮机内膨胀 做功，水滴凝结析出使水蒸气湿度增大并在汽轮机静叶部位形成水膜。在水蒸汽流作用下， 水膜从静叶表面脱离和运动，并破碎成直径数十至数百Mi水滴。水滴撞击末级叶片表面时， 由球状变成膜状，在与末级叶片接触面形成的压强使叶片材料发生局部塑性变形和应变硬 化。在汽轮机运行期间水滴撞击的连续作用下，叶片局部材料因疲劳累计损伤从叶片表面 脱离形成水滴冲蚀(简称水蚀）。水蚀主要发生在末级叶片顶部的进汽边，所造成的锯齿状 材料缺失表面会造成应力集中和叶型截面面积减小，从而影响叶片的振动特性、减小叶片 受力横截面积、使叶栅气动性能恶化、级效率下降，严重时会导致末级叶片顶部断裂事故发 生。
[0003] 水蚀防护是汽轮机末级叶片普遍存在的难题。针对汽轮机末级叶片水蚀防护，目 前采取在叶片增加表面防护层将叶片与水蚀介质隔开的措施。主要措施有叶片顶部镶嵌防 蚀片、表面淬硬、电火花强化、涂层、电子束表面处理等。末级叶片和次末级叶片顶部镶嵌防 蚀片，是应用历史较长、较为经济的措施。
[0004] 末级叶片和次末级叶片顶部司太立合金片镶嵌工艺技术，一般是在叶片顶部的进 汽边及背弧侧叶型上机械加工出一个L形包角凹槽，采用银钎焊将长条状两面包角形司太 立合金片镶嵌在凹槽中，使司太立合金片成为叶片叶型整体的一部分。具体结构见图2至图 4
[0005] 现有末级叶片顶部司太立合金片镶嵌工艺技术存在的不足之处，是司太立合金片 镶嵌凹槽结构的应力集中系数较大，凹槽根部成为叶片结构可靠性薄弱部位，疲劳裂纹在 此凹槽根部萌生和扩展，已经多次导致过汽轮机末级叶片顶部断裂事故的发生，包括国内、 外核电汽轮机末级叶片。 【实用新型内容】
[0006] 本实用新型的目的是针对现有汽轮机末级叶片和次末级叶片顶部防蚀片镶嵌结 构存在应力集中系数过大可能导致材料疲劳裂纹在此镶嵌结构部位的萌生和扩展进而导 致叶片顶部断裂的问题，克服现有技术的缺陷，提供一种汽轮机末级叶片防蚀片低应力集 中度镶嵌结构，防止汽轮机末级叶片顶部断裂事故的发生。
[0007] 本实用新型是这样实现的：
[0008] -种汽轮机末级叶片防蚀片低应力集中镶嵌结构，在汽轮机末级叶片顶部的进气 边和背弧侧叶型上开有L形包角的防蚀片镶嵌凹槽。背弧侧的防蚀片镶嵌凹槽长度为L1。进 气边的防蚀片镶嵌凹槽长度为L1+L2,由顶部至根部依次为L1范围和L2范围。在进气边的防 蚀片镶嵌凹槽的根部开有圆角R。防蚀片镶嵌凹槽深度为t。长度为L1、厚度为t的长条状两 面包角形司太立合金片镶嵌在防蚀片镶嵌凹槽中，覆盖背弧侧的防蚀片镶嵌凹槽和进气边 的防蚀片镶嵌凹槽的L1范围。进气边的防蚀片镶嵌凹槽的L2范围采用银钎料焊接填充。
[0009] 如上所述的防蚀片镶嵌凹槽长度L1长度为90mm，圆角R的尺寸为10mm，防蚀片镶嵌 凹槽深度t为1mm，进气边的防蚀片镶嵌凹槽长度与背弧侧的防蚀片镶嵌凹槽长度的差值L2 为10mm〇
[0010] 本实用新型的有益效果是：
[0011] 本实用新型具有如下优势：
[0012] (1)汽轮机末级叶片防蚀片采用低应力集中镶嵌结构，提高叶片机械结构的固有 可靠性，提高了汽轮机运行的安全性和可靠性，有效防止汽轮机末级叶片顶部断裂事故的 发生，具有重要的社会效益和经济效益。
[0013] (2)汽轮机末级叶片防蚀片低应力集中镶嵌结构已用于秦山第二核电厂核电汽轮 机，其效果得到了实际的工程验证。
[0014] (3)汽轮机末级叶片防蚀片低应力集中镶嵌结构已在中国核能电力股份有限公司 其它一部分核电汽轮机末级叶片优化设计上得到推广应用。
【附图说明】
[0015] 图1是典型的汽轮机末级叶片结构示意图；
[0016] 图2是典型的汽轮机末级叶片顶部防蚀片镶嵌结构的示意图；
[0017] 图3是典型的汽轮机末级叶片顶部防蚀片镶嵌结构的Q-Q向视图；
[0018] 图4是典型的汽轮机末级叶片顶部防蚀片镶嵌结构的T-T向视图；
[0019] 图5是本发明的汽轮机末级叶片防蚀片低应力集中镶嵌结构的示意图；
[0020] 图6是本发明的汽轮机末级叶片防蚀片低应力集中镶嵌结构的Q-Q向视图；
[0021]图7是本发明的汽轮机末级叶片防蚀片低应力集中镶嵌结构的T-T向视图。
【具体实施方式】
[0022] 下面结合附图和实施例对本实用新型进行进一步描述。
[0023] 如图5至图7所示，一种汽轮机末级叶片防蚀片低应力集中镶嵌结构，在汽轮机末 级叶片顶部的进气边和背弧侧叶型上开有L形包角的防蚀片镶嵌凹槽。背弧侧的防蚀片镶 嵌凹槽长度为L1。进气边的防蚀片镶嵌凹槽长度为L1+L2,由顶部至根部依次为L1范围和L2 范围。在进气边的防蚀片镶嵌凹槽的根部开有圆角R。防蚀片镶嵌凹槽深度为t。长度为L1、 厚度为t的长条状两面包角形司太立合金片镶嵌在防蚀片镶嵌凹槽中，覆盖背弧侧的防蚀 片镶嵌凹槽和进气边的防蚀片镶嵌凹槽的L1范围。进气边的防蚀片镶嵌凹槽的L2范围采用 银钎料焊接填充。
[0024] 对于具体型号的汽轮机末级叶片，通过现有方法进行建模分析或利用经验公式计 算，来确定圆角R、防蚀片镶嵌凹槽深度t、背弧侧的防蚀片镶嵌凹槽长度L1和进汽边的防蚀 片镶嵌凹槽长度大于背弧侧的防蚀片镶嵌凹槽长度L2。
[0025] (1)末级叶片水蚀危险性评价
[0026]通过计算末级叶片材料水蚀系数E来判断末级叶片水蚀危险性；国内外主要有德 国KWH、美国西屋公司和瑞士 BBC公司提出了水蚀系数E经验公式。本发明根据级后蒸汽湿度 及大水滴在整个水分中所占比重沿叶高的变化曲线，采用准确度相对较高的德国KWH公司 的水蚀系数E经验公式：
[0028]式中：
[0029] E-叶片材料水蚀系数；
[0030] yQ-级前湿度；
[0031] po-级前蒸汽静压，MPa;
[0032] D-叶片工作部分截面直径，m;
[0033] n一汽轮机转速，r/min。
[0034] 计算得出E，评价原则为E > 0.3的叶片高度范围应采取水蚀防护措施，由此得出加 装防蚀片合金槽背弧侧长度L1。
[0035] (2)镶嵌结构的有限元分析
[0036]建立末级叶片的三维模型，采用ANSYS软件进行有限元分析。保持L1不变，对R、t、 L2的不同组合，计算末级叶片工作静应力和动应力。
[0037] (3)镶嵌结构的设计优化
[0038]根据镶嵌结构有限元分析得出的静应力和动应力相对大小，并考虑末级叶片机械 加工的便利性，最终得到R、t和L2,完成防蚀片低应力集中镶嵌结构的定型设计。
[0039]采用上述方法计算Ll、R、t、L2具体数值的实施例：
[0040] (1)采用KWH公司的水蚀系数E经验公式，计算得出秦山第二核电厂650MW核电汽轮 机优化型479.3mm次末级叶片加装防蚀片合金槽背弧侧长度L1 =91.07mm，实际取值90mm。
[0041] (2)采用ANSYS软件进行有限元分析，计算得出R=10mm、t = lmm(t值是根据次末级 叶片长期实际运行水蚀情况确定的）和L2 = 10mm为最优：凹槽根部局部最大静应力值和最 大动力值分别为111 .9MPa和1.19MPa，而原设计(Ll = 150mm，t = l .7mm)凹槽根部局部最大 静应力值和最大动力值分别为188 ? 7MPa和2 ? 387MPa。
【主权项】
1. 一种汽轮机末级叶片防蚀片低应力集中镶嵌结构，其特征在于:在汽轮机末级叶片 顶部的进气边和背弧侧叶型上开有L形包角的防蚀片镶嵌凹槽，背弧侧的防蚀片镶嵌凹槽 长度为L1，进气边的防蚀片镶嵌凹槽长度为L1+L2,由顶部至根部依次为L1范围和L2范围， 在进气边的防蚀片镶嵌凹槽的根部开有圆角R，防蚀片镶嵌凹槽深度为t，长度为L1、厚度为 t的长条状两面包角形司太立合金片镶嵌在防蚀片镶嵌凹槽中，覆盖背弧侧的防蚀片镶嵌 凹槽和进气边的防蚀片镶嵌凹槽的L1范围，进气边的防蚀片镶嵌凹槽的L2范围采用银钎料 焊接填充。2. 根据权利要求1所述的汽轮机末级叶片防蚀片低应力集中镶嵌结构，其特征在于:所 述的防蚀片镶嵌凹槽长度L1长度为90mm，圆角R的尺寸为10mm，防蚀片镶嵌凹槽深度t为 1mm，进气边的防蚀片镶嵌凹槽长度与背弧侧的防蚀片镶嵌凹槽长度的差值L2为10mm。
【专利摘要】本实用新型涉及核电站汽轮机机械结构设计技术领域，具体一种汽轮机末级叶片防蚀片低应力集中镶嵌结构，目的是针对现有汽轮机末级叶片和次末级叶片顶部防蚀片镶嵌结构存在应力集中系数过大可能导致材料疲劳裂纹在此镶嵌结构部位的萌生和扩展进而导致叶片顶部断裂的问题，克服现有技术的缺陷。本实用新型的汽轮机末级叶片防蚀片采用低应力集中镶嵌结构，提高叶片机械结构的固有可靠性，提高了汽轮机运行的安全性和可靠性，有效防止汽轮机末级叶片顶部断裂事故的发生；本实用新型已用于秦山第二核电厂核电汽轮机，其效果得到了实际的工程验证。
【IPC分类】F01D5/28
【公开号】CN205349428
【申请号】CN201521070982
【发明人】张兴田, 丁有元, 方江, 薛新才, 李邱达, 岳兴华
【申请人】中核核电运行管理有限公司, 核电秦山联营有限公司
【公开日】2016年6月29日
【申请日】2015年12月21日