2017年9月，三菱日立電力系統(tǒng)有限公司(MHPS)成功地對(duì)74英寸(1880mm)末級(jí)旋轉(zhuǎn)葉片(74英寸ISB)進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)振動(dòng)測(cè)試。74in ISB是世界上最長(zhǎng)的核汽輪機(jī)葉片。
1、74in ISB
日立H-25型燃?xì)廨啓C(jī)(圖源：網(wǎng)絡(luò))
MHPS于2005年開(kāi)始開(kāi)發(fā)74in ISB葉片，并已完成各種驗(yàn)證測(cè)試。旋轉(zhuǎn)振動(dòng)試驗(yàn)是葉片開(kāi)發(fā)過(guò)程中的最后一步。
測(cè)試過(guò)程表明：74in ISB實(shí)現(xiàn)了每流27平方米的排氣面積。
整體式圍帶葉片(ISB)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了出色的抗振性，較大的根部和槽實(shí)現(xiàn)了應(yīng)力降低，全三維設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了高效率。
74in ISB的一個(gè)關(guān)鍵特點(diǎn)是采用ISB結(jié)構(gòu)。這利用了一種“扭曲”結(jié)構(gòu)，可適應(yīng)葉尖和葉根之間圓周速度的巨大差異。
在運(yùn)行過(guò)程中，離心力隨著渦輪機(jī)轉(zhuǎn)速的增加而增加，每個(gè)扭曲葉片都會(huì)重新成形，避免葉片扭曲，并鎖定與相鄰葉片的接觸，形成一排完整的葉片。
在這種配置中，接觸面上的摩擦力會(huì)產(chǎn)生顯著的機(jī)械阻尼，從而減少振動(dòng)產(chǎn)生的應(yīng)力，提高效率和可靠性。
葉根、葉型和圍帶設(shè)計(jì)為一個(gè)整體，為低壓部分的渦輪葉片提供了最佳設(shè)計(jì)，提供了出色的抗振性和優(yōu)異的阻尼特性。
2、葉片開(kāi)發(fā)和測(cè)試
在實(shí)際工廠使用之前，新開(kāi)發(fā)的葉片需要經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，以確保安全性和可靠性。
MHPS已建立了新葉片的驗(yàn)證流程，該流程已有20多年歷史，已有多達(dá)15種葉片的經(jīng)驗(yàn)。
蒸汽負(fù)荷試驗(yàn)，主要在內(nèi)部實(shí)際蒸汽負(fù)荷試驗(yàn)設(shè)施中進(jìn)行，使用半(或更高)規(guī)模的試驗(yàn)渦輪機(jī)。
該設(shè)施是世界上最大的設(shè)施之一，蒸汽容量為450噸/小時(shí)。
蒸汽負(fù)荷試驗(yàn)后，使用全尺寸試驗(yàn)轉(zhuǎn)子進(jìn)行旋轉(zhuǎn)振動(dòng)試驗(yàn)，以驗(yàn)證葉片的振動(dòng)特性。在出廠前，也會(huì)進(jìn)行每個(gè)實(shí)際轉(zhuǎn)子的測(cè)試。
最后，在調(diào)試階段，還將在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際操作條件下驗(yàn)證葉片的振動(dòng)應(yīng)力。
葉片設(shè)計(jì)
采用三維有限元法(3D FEM)分析振動(dòng)和強(qiáng)度，包括離心和彎曲強(qiáng)度、蒸汽激振力和電磁轉(zhuǎn)矩下的振動(dòng)強(qiáng)度以及非同步振動(dòng)強(qiáng)度等因素。
流型分析有助于提高性能和總體效率。通過(guò)最先進(jìn)的分析和測(cè)試，可以實(shí)現(xiàn)更高的效率和可靠性。
蒸汽負(fù)荷試驗(yàn)
福清5號(hào)機(jī)組汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子。
蒸汽負(fù)荷試驗(yàn)在我們的內(nèi)部實(shí)際蒸汽負(fù)荷試驗(yàn)設(shè)施中進(jìn)行，隨后進(jìn)行了3D FEM模擬和流型分析。
使用半標(biāo)度(或更高)試驗(yàn)渦輪機(jī)，在比實(shí)際運(yùn)行條件更惡劣的條件下驗(yàn)證葉片振動(dòng)特性和性能。
這是葉片開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵過(guò)程，它允許在實(shí)際操作條件下驗(yàn)證振動(dòng)應(yīng)力，并確認(rèn)葉片性能。
74in ISB的蒸汽負(fù)荷測(cè)試于2009年開(kāi)始，使用半標(biāo)度試驗(yàn)渦輪機(jī)。
試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，振動(dòng)應(yīng)力是可靠的，在所有工作范圍內(nèi)以及在惡劣條件下，振動(dòng)水平都非常低，同時(shí)試驗(yàn)人員還觀察到，預(yù)測(cè)效率與實(shí)際測(cè)試結(jié)果之間存在明顯的一致性。
旋轉(zhuǎn)振動(dòng)試驗(yàn)
蒸汽負(fù)荷試驗(yàn)后，旋轉(zhuǎn)振動(dòng)試驗(yàn)是該過(guò)程的下一階段，試驗(yàn)使用以標(biāo)稱轉(zhuǎn)速運(yùn)行的全尺寸試驗(yàn)轉(zhuǎn)子，旨在驗(yàn)證葉片的振動(dòng)特性。
將全尺寸葉片組裝到圓盤(pán)中，并將組裝好的試驗(yàn)轉(zhuǎn)子安裝在高速平衡試驗(yàn)裝置的真空室中。試驗(yàn)轉(zhuǎn)子以110%的速度旋轉(zhuǎn)，并使用空氣射流激勵(lì)葉片，以測(cè)量其固有頻率、離心應(yīng)力和變形。
試驗(yàn)在額定轉(zhuǎn)速和工作轉(zhuǎn)速下進(jìn)行，包括低循環(huán)和高循環(huán)范圍。
2017年9月，作為葉片開(kāi)發(fā)的最后一步，在我們的內(nèi)部高速平衡測(cè)試設(shè)施中對(duì)74in 全尺寸ISB渦輪轉(zhuǎn)子進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)振動(dòng)測(cè)試。
測(cè)試結(jié)果證實(shí)，74in ISB達(dá)到了其目標(biāo)振動(dòng)特性，可以安全運(yùn)行。
3、應(yīng)用
74in ISB的蒸汽輪機(jī)可用于1200MW核電廠(目前全球最流行的類型)，以及超過(guò)1500MW的大型核電廠。
當(dāng)用于1200MW核電廠時(shí)，74in ISB渦輪機(jī)可以比54in(1375mm)ISB渦輪機(jī)功率更高，因?yàn)榍罢叩娜~片長(zhǎng)度更長(zhǎng)。
此外，根據(jù)電廠位置的條件，渦輪機(jī)外殼的數(shù)量可以從三個(gè)(54 in ISB渦輪機(jī))減少到兩個(gè)(74 in ISB渦輪機(jī))，從而節(jié)省空間并簡(jiǎn)化電廠設(shè)計(jì)。
74 in ISB渦輪機(jī)在使用50Hz電源的地區(qū)(包括歐盟和中國(guó))和60Hz電源的地區(qū)(包括北美和沙特阿拉伯)都有潛在的應(yīng)用。
展望未來(lái)，MHPS將繼續(xù)為核電廠提供安全可靠的高質(zhì)量汽輪機(jī)，以促進(jìn)全球市場(chǎng)內(nèi)更穩(wěn)定的能源供應(yīng)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和減輕環(huán)境負(fù)擔(dān)。
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