阿拉贝勒汽轮机系统是为核电半速应用而开发的，可以部署在不同的反应堆类型和不同的冷却水温度下。1、阿拉贝勒汽轮机系统
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阿拉贝勒低压模块图（来源：Arabelle Solutions）
目前正在英国欣克利角C项目建造的两台阿拉贝勒汽轮机机组，每台机组的功率为惊人的1770 MW（总容量）。能够产生这种前所未有的功率输出的一个关键因素，是在低压（LP）模块中部署了75英寸的末级叶片——这也是有史以来最长的叶片。尺寸，加上对其重量的严格限制，起初给叶片开发团队带来了重大挑战，这需要新的设计工具和制造工艺。但设计团队最终实现了高性能设计，而且制造成本适中。阿拉贝勒（Arabelle）汽轮机系统是为核电半速应用而开发的，可以部署在不同的反应堆类型和不同的冷却水温度下。一些典型的压水堆都用到了阿拉贝勒汽轮机系统，包括土耳其的阿库尤核电站、法国的弗拉芒维尔核电站和中国的秦山核电站。![]()
阿拉贝勒低压模块图（来源：Arabelle Solutions）这些发电厂的阿拉贝勒汽轮机组包括高压（HP）和中压（IP）模块以及多个低压（LP）汽轮模块。在低压汽轮机中，末级叶片的长度为69英寸（1.7526米）。最近的应用实例已经确定，要求更低的冷却水温度和低压汽轮机排气处更高的蒸汽体积流量，就需要开发出75英寸（1.905米）的末级叶片，以适应低压排气面积所需的增加。由于末级叶片设计中，严格限制了叶片的重量，增加末级叶片的长度是设计团队在开发过程中的重大挑战。2、核电站汽轮机配置
核电站配置的汽轮机主要有两类，一类为半速（以电网频率的一半旋转，50 Hz电网为1500 RPM，60 Hz电网为1800 RPM），另一类为全速（以电网频率旋转，3000 RPM或3600 RPM）。尽管目前有发展小型反应堆和全速汽轮机设计的趋势，但核电站设计的经济性仍然需要高蒸汽量。对于给定的发电厂输出，半速与全速配置的比较表明，半速布局涉及减少低压汽轮机模块的数量，只需要一个机组，而在大功率输出下，全速布局需要两个机组。显然，这些并不是设计工厂时的唯一考虑因素，工厂的经济性会随着时间的推移而变化，并取决于地理位置和电力市场。尽管如此，当只考虑汽轮机组本身的成本时，半速机组配置仍然是超大功率的最具成本竞争力的解决方案。3、欣克利角C项目核电站的解决方案
欣克利角C项目核电站的八台蒸汽发生器将驱动核电站的两台巨大的阿拉贝勒汽轮机。随着世界各国从化石燃料发电厂向清洁能源替代品过渡，许多国家选择扩建或更换其核电站。在英国，政府决定在萨默塞特郡的欣克利角B项目核电站旁边，建造一座新的核电站，因为后者的运行寿命即将结束。这是英国第一座新核电站，要求输出功率更高，超过3 GW，阿拉贝勒的汽轮机就非常适合该要求。与现有的阿拉贝勒汽轮机应用相比，欣克利角核电站的冷却水温度相对较低。为了提高性能和更高的功率输出，Arabelle Solutions的汽轮机设计团队，需要通过将末级叶片长度从69英寸（1.7526米）增加到75英寸（1.905米），来增加末级叶片排气面积。![]()
75英寸（1.905米）末级叶片的CAD模型（来源：Aarabelle Solutions）最终设计的两个汽轮机组每台功率为1770 MW（总）。为了比较汽轮机末级叶片的长度，从叶片根部和翼型的应力以及设计的挑战性来看，可以对其进行几何缩放，使其在相同的转速下运行。如果这样做，部署在联合循环和燃煤电厂的汽轮机中使用的末级叶片，很明显比核电市场上使用的典型叶片长得多。联合循环/燃煤应用主要是全速运行叶片，用于大型全速联合循环/煤电厂的钢制末级叶片的长度在50 Hz（1.2192-1.270m）时可达48-50英寸。如果将核电半速叶片按比例缩放到全速（25 Hz至50 Hz），例如69英寸（1.7526米）叶片，其长度约为35英寸（0.8890米），完全在现有全速末级叶片设计的设计空间范围内。由于欣克利角C项目所需的末级叶片的长度，与已经为全速末级叶片应用开发的长度相似，设计团队可以简单地采用该种全速末级叶片，并为新应用按几何比例因子2进行缩放。然而，尽管设计的空气动力学和热力学将保持相似，但考虑到转速也由几何缩放因子的倒数缩放，其他参数的缩放方式不同。汽轮机质量流量和机器功率的比例为4，这是半速配置的优势。末级叶片重量按比例8缩放。如果末级叶片发生故障，考虑到叶片重量的增加需要非常大的轴承座来容纳转子，如果叶片发生故障并脱离外壳，则可能会导致重大事故。对翼型重量的限制，是开发用于半速应用的低压汽轮机的最大挑战之一：即将叶片质量保持在最小值，同时保持叶片刚度以避免气动机械激励，并确保叶片能够以可重复和经济高效的方式制造。其他汽轮机部件从全速到半速的缩放，也可能有次优解决方案。就公路和铁路运输而言，内壳和外壳的物理尺寸有限制。带叶片的转子还需要安装在“旋转坑”掩体内（旋转坑是一个用于测试的真空室）。如果只是从全速应用中缩放，其他组件也会有过重的重量。4、阿拉贝勒新型末级叶片
阿拉贝勒汽轮机平台低压模块的末级叶片由三个主要元件组成：杉形根；翼型；还有一个缓冲器。叶片翼型几何形状由一系列剖面表示，这些剖面最初由空气动力学设计师设计，可以在下游设计过程中进一步修改。由于需要具有薄剖面的非常轻的叶片，因此需要为这种特殊的设计开发不同的频率调谐策略。需要更多的翼型设计部分来实现更多的局部变化，以便设计者更容易影响更高模态的复杂振型并调整其频率。低压流道的性能对末级翼型的形状高度敏感。因此，采用一种集成设计系统，该系统侧重于实现高空气动力学性能，同时也考虑了其他设计方面的要求，如机械完整性和易于制造性。设计系统中，非空气动力学方面的评估方法的保真度，低于机械完整性和设计学科中使用的方法，但它能够实现更有效的设计开发，因为实现产品要求所需的设计迭代更少。为了使末级叶片具有足够的刚性，对空气动力学布局进行了调整，以增加翼型弧度。截面面积和轮廓形状的局部变化，会影响叶片高度上轮廓的弯曲和扭转刚度，已被应用于调整更高的模态。在其他设计中，几何形状在空气动力学设计完成后进行了修改，通过改变翼型表面，实现了所需的频率设计。在欣克利角C项目核电站的设计过程中，由于应用了集成设计系统，这在很大程度上避免了后续的修改工作。使得空气动力学性能比集成度较低的设计过程高得多。末级叶片开发的一个重要方面，是了解制造加工过程中产生的几何变化对频率工作的影响。可以通过有限元（FE）模拟仔细评估。通过变形过程修改加工工艺，还制定具体的加工策略。此外，有限元模拟已被用于预测加工过程中叶片的挠度。5、改进制造工艺
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贝尔福工厂阿拉贝勒低压转子的吊装（来源：Aarabelle Solutions）
通常，大型末级汽轮机叶片在水平位置铣削，端部固定。由于叶片在一端夹紧，远端悬空无法固定，翼型控制更难，因此加工相对较大和细长的叶片带来了一些挑战。在这种配置中，铣削刀具的加工力度，使叶片的中跨区域出现较大偏转。加工较小尺寸叶片的经验，例如69英寸（1.7526米）末级叶片，强调了需要制定专门的加工策略，以确保更好地控制更长叶片的翼型几何偏差。为了解决翼型重要区域几何形状的相对较大变化，导致叶片固有设计性能变化，使用了两种策略。第一种是叶片铣床的应用，在加工翼型中间配备了额外的支撑。第二种是引入了一个特定的反馈过程，以确保制造过程中的质量控制。按照以上策略加工的所有叶片，都已通过三坐标测量机（CMM）的翼型控制自动测量。这些测量的汇总结果用于改进设计定义，以降低设计对制造变化的敏感性。在开始实际批量生产之前，考虑到每个部分测量的平均偏差，对加工的第一批叶片的固有频率进行了评估。通过有限元分析计算每个单独部分的贡献，并通过叠加估计频率影响。确定在哪里纠正铣削程序，在哪里瞄准更厚或更薄的轮廓，以确保加工的几何形状不影响最终叶片频率。经过多次迭代，获得令人满意的制造加工工艺，在批量生产过程中，要不断监测加工几何形状，确保可接受的固有叶片频率。在测试中，应变片应用于叶片表面，通过使用冲击叶片的空气射流来刺激叶片，以测量固有频率。已确认所制造叶片的正确频率工作。6、验证操作
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由于其尺寸大、固有（结构）频率低，末级汽轮机叶片可能会受到气动力学效应的影响。这就是非定常流与振动模态形状相互作用以增加叶片振动幅度的地方，有时会增加到不可接受的幅度。气动机械相互作用主要有两类，一类是自激的，振动本身在流动中产生不稳定力，称为颤振，另一类是强迫响应型激励，不稳定仅由流动条件产生。强迫响应可能是由于随机不稳定，如流动湍流，或者在非设计条件下也存在旋转失速型现象，即叶片失速，旋转失速单元产生不稳定力，从而导致叶片振动。为了验证这些现象，需要测试汽轮机或现场测试。在欣克利角C项目低压模块的新75英寸（1.905米）末级叶片的基础上，制造了一个比例汽轮机模型，并在整个运行图上进行了彻底的测试。即使在远远超出典型应用的条件下，测量的振幅也明显低于设计规定的动态应力极限。这些测试用于确认末级叶片保护图的适用性，操作员使用该图来确保末级叶片在正确的状态下运行。7、新一代的新刀片
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超大型核电站应用的高效、经济的汽轮机，需要非常大的末级叶片。对于欣克利角C项目，末级叶片的尺寸要求，以及对相对较低的叶片重量要求，对设计和开发过程的几乎所有方面都提出了巨大挑战。与典型的设计项目不同，这些要求需要新的开发流程和开发工具。综上所述，以下几个方面在开发过程中发挥了关键作用：设计系统的改进：使飞行设计师能够实施机械完整性设计师的频率和应力布局策略，减少迭代，实现更高的性能。机械设计、空气动力学和机械完整性分析之间几何建模的一致性，避免了错误和额外设计迭代的要求。
频率布局过程：设计系统的变化，以及不同学科和分析中几何形状的一致性，促进了末级叶片振型的复杂调谐过程。
制造设计：通过测量反馈对叶片翼型制造中的几何变化，对制造过程进行详细了解，可以调整制造工艺、铣床、公差方案和几何形状本身，以满足振型频率布局和应力方面的要求。
验证：在汽轮机的整个运行图上进行的缩放汽轮机测试，确保了末级叶片即使在非设计条件下也能运行，因为没有发现任何气动机械问题。
设计工具和新制造工艺的开发和应用，实现了最终的高性能设计要求，制造成本也适中。与之前的69英寸（1.7526米）设计相比，最后一级排气面积的增加，使阿拉贝勒汽轮机组的发电厂产量大幅增加，目前第一台机组部署在英国欣克利角C项目核电站。
