2017年9月，三菱日立电力系统有限公司（MHPS）成功地对74英寸（1880mm）末级旋转叶片（74英寸ISB）进行了旋转振动测试。74in ISB是世界上最长的核汽轮机叶片。

1、74in ISB

日立H-25型燃气轮机（图源：网络）

MHPS于2005年开始开发74in ISB叶片，并已完成各种验证测试。旋转振动试验是叶片开发过程中的最后一步。

测试过程表明：74in ISB实现了每流27平方米的排气面积。

整体式围带叶片（ISB）结构实现了出色的抗振性，较大的根部和槽实现了应力降低，全三维设计实现了高效率。

74in ISB的一个关键特点是采用ISB结构。这利用了一种“扭曲”结构，可适应叶尖和叶根之间圆周速度的巨大差异。

在运行过程中，离心力随着涡轮机转速的增加而增加，每个扭曲叶片都会重新成形，避免叶片扭曲，并锁定与相邻叶片的接触，形成一排完整的叶片。

在这种配置中，接触面上的摩擦力会产生显著的机械阻尼，从而减少振动产生的应力，提高效率和可靠性。

叶根、叶型和围带设计为一个整体，为低压部分的涡轮叶片提供了最佳设计，提供了出色的抗振性和优异的阻尼特性。

2、叶片开发和测试

在实际工厂使用之前，新开发的叶片需要经过验证，以确保安全性和可靠性。

MHPS已建立了新叶片的验证流程，该流程已有20多年历史，已有多达15种叶片的经验。

蒸汽负荷试验，主要在内部实际蒸汽负荷试验设施中进行，使用半（或更高）规模的试验涡轮机。

该设施是世界上最大的设施之一，蒸汽容量为450吨/小时。

蒸汽负荷试验后，使用全尺寸试验转子进行旋转振动试验，以验证叶片的振动特性。在出厂前，也会进行每个实际转子的测试。

最后，在调试阶段，还将在现场实际操作条件下验证叶片的振动应力。

叶片设计

采用三维有限元法（3D FEM）分析振动和强度，包括离心和弯曲强度、蒸汽激振力和电磁转矩下的振动强度以及非同步振动强度等因素。

流型分析有助于提高性能和总体效率。通过最先进的分析和测试，可以实现更高的效率和可靠性。

蒸汽负荷试验

福清5号机组汽轮机转子。

蒸汽负荷试验在我们的内部实际蒸汽负荷试验设施中进行，随后进行了3D FEM模拟和流型分析。

使用半标度（或更高）试验涡轮机，在比实际运行条件更恶劣的条件下验证叶片振动特性和性能。

这是叶片开发的关键过程，它允许在实际操作条件下验证振动应力，并确认叶片性能。

74in ISB的蒸汽负荷测试于2009年开始，使用半标度试验涡轮机。

试验结果证实，振动应力是可靠的，在所有工作范围内以及在恶劣条件下，振动水平都非常低，同时试验人员还观察到，预测效率与实际测试结果之间存在明显的一致性。

旋转振动试验

蒸汽负荷试验后，旋转振动试验是该过程的下一阶段，试验使用以标称转速运行的全尺寸试验转子，旨在验证叶片的振动特性。

将全尺寸叶片组装到圆盘中，并将组装好的试验转子安装在高速平衡试验装置的真空室中。试验转子以110%的速度旋转，并使用空气射流激励叶片，以测量其固有频率、离心应力和变形。

试验在额定转速和工作转速下进行，包括低循环和高循环范围。

2017年9月，作为叶片开发的最后一步，在我们的内部高速平衡测试设施中对74in 全尺寸ISB涡轮转子进行了旋转振动测试。

测试结果证实，74in ISB达到了其目标振动特性，可以安全运行。

3、应用

74in ISB的蒸汽轮机可用于1200MW核电厂（目前全球最流行的类型），以及超过1500MW的大型核电厂。

当用于1200MW核电厂时，74in ISB涡轮机可以比54in（1375mm）ISB涡轮机功率更高，因为前者的叶片长度更长。

此外，根据电厂位置的条件，涡轮机外壳的数量可以从三个（54 in ISB涡轮机）减少到两个（74 in ISB涡轮机），从而节省空间并简化电厂设计。

74 in ISB涡轮机在使用50Hz电源的地区（包括欧盟和中国）和60Hz电源的地区（包括北美和沙特阿拉伯）都有潜在的应用。

展望未来，MHPS将继续为核电厂提供安全可靠的高质量汽轮机，以促进全球市场内更稳定的能源供应、经济发展和减轻环境负担。（完）