孙康娜;贺小忠
【摘 要】重点介绍了上海汽轮机厂(上汽厂)“华龙一号”核电汽轮机在低压缸支撑方式、焊接转子、末级长叶片等方面的创新设计特点,以及大部件的结构优化和国产化设计情况,旨在探讨如何提高汽轮机的安全性、先进性和经济性,为“华龙一号”核电汽轮机的自主化设计创新和发展起到推动作用,同时也为AP1000、EPR、CAP1400、CAP1700等百万等级更大功率的核电汽轮机设计提供借鉴.
【期刊名称】《热力透平》
【年(卷),期】2017(046)002
【总页数】6页(P93-97,107)
【关键词】“华龙一号”;核电汽轮机;焊接转予;末级长叶片
【作 者】孙康娜;贺小忠
【作者单位】上海电气电站设备有限公司汽轮机厂,上海200240;上海电气电站设备有限公司汽轮机厂,上海200240
【正文语种】中 文
【中图分类】TK262
“华龙一号”是中国自主开发的第三代百万等级核电反应堆型，设计上充分借鉴了福岛核事故的经验，全面实现了关键技术的重大突破。相比于二代半的CPR1000堆型，第三代堆型更加安全、先进，其创新设计特点也对常规岛关键设备的设计提出了新的要求，即汽轮机机组能满足60年使用寿命要求，并具有良好的抗震性能等[1]。
同时“华龙一号”也是中国核电“走出去”的主打品牌，所以“华龙一号”未来在全球核电领域将拥有广阔的市场前景。汽轮机作为核电常规岛最关键的设备，如果在满足安全、先进的基础上进一步提高经济性，就能大大提高其在核电市场上的竞争力。
本文对上海汽轮机厂(上汽厂)“华龙一号”核电汽轮机的创新设计特点、大部件结构优化及国产化设计方面所做的大量技术工作进行归纳总结，旨在探讨如何进一步提高汽轮机的技术指标，
为大功率核电汽轮机的设计创新提供参考和借鉴。
发展以第三代更安全、更经济的核电机组为代表的新一代核电技术，是全球核电技术发展的趋势。因此，上汽厂在近些年致力于百万等级以上核电汽轮机产品的研究，相继开发了一系列种类齐全、性能卓越、安全可靠的核电产品，其中配“华龙一号”堆型的A906(工厂编号)机型便是其中之一。
配“华龙一号”堆型的A906(工厂编号)机型为半速、凝汽式、百万千瓦等级的三缸四排汽核电汽轮机机组，由1个双流高压缸和2个双流低压缸串联布置组成，并具有外部去湿和再热装置(MSR)。总长约37 m(不含发电机)，机组总宽约15.6 m(不含MSR)，机组外形图见图1。
该机型配有4组主汽阀和4组再热阀，阀门与汽缸之间均采用管道连接。高压缸通过外缸上半顶角处伸出的4只猫爪支撑于基础预埋件上；与我厂CPR1000机型的低压缸支撑方式不同，低压内外缸采用独立支撑方式，外缸、内缸分别由前后的4个猫爪轴向支撑于基座上。各转子采用双轴承支撑，轴承座为落地式设计，通过地脚螺栓固定在基础上。汽轮机高压转子采用整锻转子，低压转子采用焊接转子设计，末叶片高度1 710 mm，单流名义排汽面积为26 m2。
该机型采用成熟、先进的高低压模块，目前已取得10台订单业绩(其中4台配AP1000堆型，6台配“华龙一号”堆型)，上汽厂自主开发的“华龙一号”机型也是我国首个出口海外的百万等级核电汽轮机机型。
2.1 设计选型
相比于CPR1000机型，“华龙一号”机型由于低压排汽面积的增大，整个低压缸在尺寸和质量上都相应增加，如仍采用上汽厂原有的模式，即低压内缸支撑于外缸上、外缸支撑于基础上，势必将大大增加外缸的负担。为解决低压外缸支撑刚性差的问题，减轻机组质量，减小机组对基础的载荷输入，迫切需要寻求一种新的低压缸支撑方式。
另外，福岛事故后业主和机组设计方也对汽轮机的抗震性能更为关注，所以上汽厂在低压缸方案设计阶段就加强了对结构抗震性能的评估和考核。经过对前期的初步方案进行建模、分析，对多种方案进行了计算考核对比，综合考虑了低压内缸、低压外缸、凝汽器与基础的结构设计特点，并分析了地震对不同结构设计的影响，根据计算结果，最终采用了抗震性能较好的结构方案，即内、外缸分别落地支撑的方案[1]。
2.2 结构特点
“华龙一号”机组低压缸结构图见图2，“华龙一号”机型(26 m2)低压外缸与CPR1000机型(20 m2)低压外缸的支撑方式相同，即外缸前后4个顶角处设置4个猫爪将其支撑于基础的预埋板上，猫爪与预埋板之间设有自润滑板使其在基础上自由滑动，在调阀端猫爪处设有低压外缸的轴向死点。低压外缸的横向死点设置在下半前后端板上，通过埋入基础的定位销配合将其横向固定。汽缸底部与凝汽器刚性连接，凝汽器通过底部的弹簧支撑于地面上。
与原有20 m2低压缸支撑方式不同的是，26 m2低压内缸也设置相应的前后猫爪，轴向支撑在基座上，与低压外缸没有支撑关系。低压内缸在调阀端进行轴向固定，在低压内缸底部与外缸下半钢架配合处设有横向定位键，允许低压内缸沿轴向膨胀。低压内缸独立支撑可将低压缸的荷重分散作用在基座上，避免个别支撑点荷载过重，同时可避免低压外缸因抽真空等引起变形，而对机组动、静间隙带来影响，确保机组长期可靠运行。
2.3 新支撑方式的优点
上汽厂“华龙一号”核电汽轮机低压支撑采用低压内缸直接落地，且低压外缸与凝汽器刚性连接，凝汽器下部支撑在弹簧上的方式。因此低压外缸猫爪处仅承受自身的质量以及凝汽器对其向下的拉力，无需承受低压内缸的质量以及巨大的真空力。该支撑方式与原低压缸支撑方
式相比有以下优点：
1)提高了机组的安全性。由于采用此种支撑方式后，内缸与外缸完全脱开，外缸的变形将不会影响汽轮机动、静间隙，从而提高机组的安全性。
2)提高了机组的经济性。由于外缸的形变不会影响到内缸，因此机组的动、静间隙相比于CPR1000机型的支撑方式可以设置得更小，从而减小了漏汽损失，提高了机组的经济性。
东风1号3)降低了汽轮机基础的设计难度。由于内缸和外缸分别落地支撑，每个低压缸对基础的荷载点由原来的4个变为8个，荷载点变得分散，且每个荷载点的作用力大幅度降低。
4)降低对低压外缸的刚度和强度要求。采用新的支撑方式后，外缸不必再承受低压内缸的质量，相对于原有结构可以降低对外缸的强度和刚度要求，从而减少低压外缸的质量，进而减轻了基础的载荷。
3.1 低压焊接转子
百万等级核电汽轮机低压转子主要有3种结构形式，即整锻转子、套装转子和焊接转子。随
着百万等级核电机组朝着大型化方向发展，整锻转子和红套转子由于锻件尺寸大、采购困难的问题日益凸显，且套装转子对红套技术要求很高。而焊接转子具有锻件小、选材灵活、残余应力小、启动和负载时拥有良好的工作特性等独特的优势，但焊接转子对焊接工艺、焊接和锻件材料等有较高的要求[2]。
上汽厂拥有成熟的焊接转子设计、制造和运行经验，具有良好的转子运行业绩，先后完成了125 MW、300 MW、600 MW、1 000 MW火电焊接转子以及空压机转子、联合循环汽轮机转子等各类焊接转子的焊接工作。上汽厂利用开发成功的窄间隙转子焊接工艺焊接了世界上首根超超临界百万千瓦全速火电汽轮机低压转子， 2013 年上半年已交付南通电厂并成功投运。
针对26 m2低压焊接转子的开发，上汽厂具有丰富的焊接转子设计与制造经验，拥有成熟的焊接转子技术体系，主要包括焊接转子的设计技术、工艺技术及检测技术，体现在：
1)设计上，上汽厂针对26 m2百万千瓦核电低压焊接转子，主要开展了结构强度设计与优化、转子的无限寿命设计以及转子的高周疲劳寿命分析，确保低压焊接转子满足强度设计及60年的服役要求。
2)工艺上，上汽厂采用先进的氩弧焊与埋弧焊组合的工艺路线，为了验证尺寸对焊接工艺是否产生影响，增加了对不同尺寸环形模拟件的焊接试验工作，验证了现有的焊接工艺规范的工艺稳定性，同时对模拟件焊接接头各项性能进行测试与验证，测试结果显示各项性能均满足规范要求，表明尺寸对焊接工艺及接头性能没有影响；实现了1 710试验转子的生产制造，焊接接头的质量及各项性能均满足要求，进一步验证了上汽厂焊接转子工艺的成熟、稳定、可靠性。
3)检测评估方面，上汽厂具有完整的检测体系，根据焊接转子焊缝的结构特点，进行外观检测、氩弧焊焊缝射线检测、埋弧焊完成后超声波检测、焊缝近表面磁粉检测的验证与评估，使得无损检测覆盖焊缝全厚度范围，针对26 m2百万核电低压焊接转子形成了完整的无损检测评估规范，能够保证核电低压焊接转子整个焊缝的质量。
上汽厂开发的26 m2低压焊接转子配1 710 mm末级长叶片，已经在2015年完成了全部转子设计计算工作，2016年试验件已经制造完成，并通过国家相关安全评审，该焊接转子将用于上汽厂配“华龙一号”堆型的巴基斯坦卡拉奇项目、防城港二期项目、漳州项目及配AP1000堆型的桃花江项目，该转子结构示意详见图3。
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