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段增辉，高宏喜，陶功新，邱健
(东方汽轮机有限公司，四川德阳,618000)
摘要：随着安全性要求的提高,AP1000将会是今后国内市场主力堆型之一，文章详细分析了东方引进的
匹配AP1000堆型的核电汽轮机的设计特点。重点介绍了高中压模块、低压模块、末级叶片等主要部件的结构特点及机组的技术成熟性。
关键词：核电汽轮机,ARABELLE,AP1000，末级叶片
中图分类号:TK262文献标识码:A文章编号:1674-9987(2020)01-0014-05 Design Characteristics Analysis of AP1000
Nuclear Steam Turbine
DUAN Zenghui,GAO Hongxi,TAO Gongxin,QIU Jian
(Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000)
Abstract:With higher security requirements,AP1000will be the main reactor in the domestic market in the future.In this paper, the design characteristics of the AP1000nuclear steam turbine is analyzed in detail which is imported by DEC.The structural features of the main components of the HIP module,the LP module,the last stage blade and the technical maturity of the unit are mainly introduced.
Key words:nuclear steam turbine,ARABELLE,AP1000,last stage blade
1前言
近年来，我国核电取得长足发展。截止2019
年底，在运核电机组已达47台，额定装机容量达
到48751MW。2019年全年核电发电量3481.31
亿千瓦时，比2018年多发了18.09%，与火电比,
减少排放二氧化碳约2.8亿吨。尽管如此，核电发
电量才占全国发电量的5%。考虑到我国经济的发
展及减排需求，作为清洁能源的核电应该有更大
占比。
福岛事件后，电力市场对核电的安全性提出
更高要求。第三代核电技术以其更高的安全性优
势已成为我国后续筹建核电站的主力堆型,
AP1000反应堆技术以其先进性和安全性在国内市
场占有很大比重。作为核电设备的主要供货商,
东方电气集团从2005年开始与GE(原ALSTOM,
下文同)合作，为我国核电市场提供了超过一半第一作者简介：段增辉(1978-)，男，高级工程师，主要从事核电汽轮机设计工作。
DOI:10.13808/jki.issn1674-9987.2020.01.004
14
·
项目
机组形式
主汽压力/MPa
主汽温度/℃
主汽湿度/%
主汽流量/(kg·s-1)
回热级数
通流级数
额定转速/(r·min-1)
旋转方向
末级叶片
参数
三缸四排汽/四缸六排汽
5.4
268.8
0.5
1889
7(3高加+1除氧+3低加)
HP9+IP4+2(或3)×LP5
1500
逆时针
57″/69″
所在国
法国
英国
俄罗斯
美国
中国
状态
投运
投运
在建
授权
签订
授权
投运
投运
在建
投运
投运
投运
在建
投运
签订
签订
签订
机组号
Chooz B1#~2#
Civaux1#~2#
Flamanville3#
Hinkley Point C1#~2#
Baltic1#~2#
Calvert Cliffs3#
岭澳3#~4#
红沿河1#~4#
红沿河5#~6#
宁德1#~4#
福清1#~4#
方家山1#~2#
田湾5#~6#
台山1#~2#
廉江1#~2#
徐大堡1#~2#
海兴1#~2#
reactor线程模型的特点
功率/MW
1550
1550
1755
1755
1200
1755
1089
1120
1120
1089
1089
1089
1120
1755
1225
1290
1250的汽轮发电机组。在2013年7月双方又签署新一
轮的战略合作协议，将合作领域拓展到AP1000。
并一举中标廉江、徐大堡、海兴等多个AP1000项
目。本文就是着重介绍该AP1000核电汽轮机的设
计特点。
2机组主要技术参数
根据机组不同的冷端条件，可为AP1000用户
提供了多种配置方案。可采用三缸四排汽或者四
缸六排汽(见图1)配置，其中低压模块有57″末叶
的LT57和69″末叶的LT69两种型号，能满足多种
背压条件需求。如廉江采用的LT57低压模块的三
缸四排汽双背压方案，海兴采用的LT69低压模块
的三缸四排汽双背压方案，徐大堡采用的LT69低
压模块的四缸六排汽单背压方案。
图1AP1000四缸六排汽机组示意图
主要技术参数见表1。
表1东方-GE AP1000机组主要参数表
3结构成熟性
汽轮机本体采用了GE成熟的ARABELLE机
型。ARABELLE机型以其卓越的结构特点为GE
在核电市场赢得了大量订单，见表2。其成功性早
在1996年运行的法国1550MW机组上就得到了
验证。我国大量CPR1000机组也采用了ARA⁃
BELLE机型。AP1000核电汽轮机采用ARA⁃
BELLE机型能有效保证机组结构的成熟性与可靠
性。这一点在注重业绩的核电市场非常重要。
表2ARABELLE业绩表
结构上机组延续了以往ARABELLE机组高中
压合缸、独立外缸结构、焊接转子等几大特点。
在岭澳为代表的两代半机型的基础上，机组各模
块根据AP1000反应堆参数做了适应性修改。
ARABELLE机组模块化设计及其良好的包容性能
保证了各模块的技术延续性，在以往机组上做略
小的适应性修改就能完美的匹配AP1000反应堆,
保证了机组的成熟度与安全性。
4本体设计特点
4.1热力系统
AP1000核电汽轮机的回热系统有7级回热,2
级高压加热、1级除氧、4级低压加热。各级回热
抽汽口依次位于高压4级后、高压6级后、高压9
级后(高压排汽)、中压2级后、中压4级后(中压LP1
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··
·
排汽)、低压2级后、低压4级后。MSR的两级热
源分别来自高压5级后及高压主汽阀前抽汽。
该热力系统与CPR1000、EPR堆型机组级数
配置、抽汽位置相同。这种热力系统上的通用性
保证了机组结构上的通用性。
4.2高中压模块
高中压合缸结构是ARABELLE系列机组高效
性的体现。将双流高压模块折合成单流高压模块
及将过热区的低压级折合成一个单流中压缸都能
使叶片加长，有效降低各级的端部损失，提高整
个机组的效率。
AP1000机组的高中压缸跟CPR1000机组的高
中压缸外形尺寸完全相同。为了适应AP1000更大
的进汽流量，高压各级的通流面积相应增大；根
径降低，顶径提高。越靠近进汽口这种变化越明
显，在靠近高压排汽口的几级,2个机型的根径、
顶径趋于相等，详见图2。这种设计思路在满足通
流要求的基础上，保证了2个机型高中压缸的通
用性。另外，在AP1000机组中，高中压缸的两端
外侧略做优化，减小汽封凸台的尺寸，提高汽缸
在变工况下的密封性。
图22种机型高压隔板根径顶径对比
高中压缸为单层缸，设有水平中分面，通过
加热螺栓把合。同时，通过垂直中分面将汽缸在
轴向上分为两部分，垂直法兰通过螺栓连接。由
于整个汽缸进汽、排汽、抽汽口较多，导致汽缸
结构非常复杂，采用轴向分段后，减小了单个铸
件的尺寸，既降低了铸件的浇注难度，又可根据
蒸汽参数合理选材。高压部分湿度大，采用低合
金钢材料+堆焊不锈钢；中压排汽部分在过热区,
采用碳钢材料：这样选材兼顾了安全性与经济性。
缸内各级隔板采用两两把合结构。高压前8
级每两级成对把合，高压第9级跟排汽导流环把
合；中压4级也是每两级把合一起。把合后的各
隔板组之间，留出了抽汽或疏水空间。这种结构
减少了汽缸开档数量，简化了汽缸结构。
4.3低压模块
4.3.1末级叶片
ARABELLE机型开发有一系列末级叶片，其
中50Hz末级叶片系列包括57″、69″、75″3种规
格。完备的末叶系列可满足不同排汽流量的需求。
我国机组的背压大致在3~6kPa之间，从图3
可以看出,AP1000堆型所需的排汽面积大约在
100~150m2之间,57″末叶单侧排汽面积约19
m2,69″末叶单侧排汽面积约26m2，在100m2的
排汽需求可有四缸六排汽(57″末叶)和三缸四排汽
(69″末叶)2种选择。更低背压下也可选用69″六排
汽配置。
图3末叶选择
其中57″末叶已经在我国两代半机组上广泛应
用，其高效安全特性已经过实际验证。69″的末级
叶片(见图4)是世界上已投运的最长叶片。该叶片
从2000年开始开发，进行了大量试验与计算。期
间结合EDF已投运的4台ARABELLE机组运行情
况，最终开发结果全部通过了EDF的认可。该叶
片被用在了在瑞典奥斯卡港核电厂3号机组，至
今已有8年以上的安全运行业绩。其60Hz版的123456789
CPR1000根径
AP1000根径
CPR1000顶径
AP1000顶径
2800
2600
2400
2200
2000
1800
1600
背压
堆型
50m2
75m2
100m2150m2
200m2
AP1000
CPR1000
kPa
EPR
5000
4500
4000
3500
3000
2500
1098765432 16
·
··
56″叶片也有10年以上的无故障运行。相比法国
内陆的核电站，我国的海水冷却条件能达到更好的真空度，也更能够展现长叶片的经济效益。
图469″末级叶片
69″末叶特点:
(1)带整体式流线型凸台拉筋;(2)重量大约仅为自由末叶的1/3;(3)高效的叶型;
(4)圆弧型的枞树型叶根;
(5)淬火硬化防水蚀措施。
4.3.2低压缸
AP1000机组配备有LT57、LT692种低压模
块,LT57模块已经大规模应用到CPR1000机组上，相关文献已经有详细说明，本文不再赘述。
LT69低压模块结构上继承了LT57模块的特
点，采用独立外缸结构。低压内缸由内缸中部和两端的排汽锥体通过垂直法兰连接在一起，整个内缸轴向落地，低压轴承落在低压排汽锥体内。内缸与外缸之间装有柔性密封环，低压外缸直接落在凝汽器喉部上。柔性密封环可吸收内外缸之间的位移，使外缸功能大大减少。基础不承受外缸的重力载荷，真空载荷变化不会影响到基础，保证了机组在背压变化时的稳定性。另外，低压进汽口布置在汽缸下半的两
侧，使运行平台上低压缸两侧见不到任何大的蒸汽管道。既保证了运行平台的简洁，又减少了检修时的拆装工作量。由于LT69模块有更大的进汽量及抽汽量，为了控
制低压缸轴向长度,LT69内缸开档板的的方向做了适当优化，由原来的垂直方向斜置了约20°，以便进汽口及各抽汽口的布置。4.4轴系
机组轴系由1个高中压转子、2个或3个低压转子及发电机转子组成。各转子之间刚性连接，联轴器螺栓为液压螺栓。高中压转子由2个ϕ630mm 支持轴承支撑，每个低压转子由2个ϕ750mm 或ϕ800mm 轴承支撑。所有支持轴承为三瓦块可倾瓦轴承。推力轴承布置在高中压转子中压
侧，平衡整个轴系的轴向推力。
所有转子均为焊接转子，基于该焊接技术的转子目前已有超过300根安全投运。焊接转子相比整锻转子单个毛坯更小，交货周期、锻件质量
更易保证；相比套装转子，能避免红套引起的应力集中。GE 与东方有多条转子焊接生产线能充分满足业主供货需求。目前东方自主焊的核电转子已有25根，其中第一根核电转子已在宁德1号机上投入使用，目前已无故障运行3年多。图5为东方焊接的核电转子。
图5东方焊接的核电转子
高中压转子与CPR1000机组的高中压转子结构基本相同，整个转子由4段毛坯焊接而成。所有13级叶片均为叉形叶根的自带冠叶片
。
17
·
LT69低压转子在LT57低压转子的基础上进
行了升级，主要体现在以下几点：轴径由ϕ750增
大为ϕ800，满足更大载荷需求；焊缝数量大大减
少，由9焊缝改为5焊缝，焊接工作量相应减少;
次末级的叶根槽由圆弧枞树型改为直枞树型，减
小了加工难度；对材料优化，屈服极限、FATT要
求更严，提高了转子抗应力腐蚀的能力。
4.5高压主汽调节阀
高压主汽调节阀为卧式布置,4组阀分布在高
中压缸两侧，每两组共用一个弹簧支吊架。这种
布置方式，大大减少了阀门占地面积。
每组高压主汽阀与调节阀的阀壳为整体浇注
铸件，阀壳相对阀芯采用偏心设计，以达到流量
与通流面积匹配，降低压损。主汽阀和调节阀均
为提升式阀门，有独立的操纵机构控制。主汽阀
设有预启阀，调节阀阀碟开有平衡孔，这些设计
旨在减小打开阀门时的提升力。调节阀为连续阀
位控制。主汽阀为开关两位控制，全开时主汽阀
阀碟及预启阀碟背部紧靠其后座，减少阀杆漏汽,
全关时阀杆漏汽进入机组的汽封系统。
4.6盘车装置
本机组配备有两套盘车装置，一套电动主盘车
装置和一套液压辅助盘车装置。均布置在机头的
前箱内。
主盘车装置采用SSS离合器，转速约8r/min,
为轴向啮合方式。小齿轮可沿螺旋滑道轴向滑动
实现啮合与脱开。小齿轮端部配有软材质相位齿
轮，最大限度保证汽轮机转子不被碰伤。电动机
与离合器之间配备有液压联轴器，并有两级温度
保护。投盘车时，如果汽轮机动静部件抱死，联
轴器油温会急剧上升，会发出超温报警乃至保护
性熔断，防止过分盘车导致机组损坏。盘车自动
化程度高，能实现自动啮合、脱开。啮合动力油
来自机组润滑油系统，不必再额外配置啮合用动
力系统。
辅助盘车装置为液压盘车，转速很低，每小
时约5转。作为主盘车装置的补充装置，在主盘
车装置不可用、故障时实现盘车功能。配备有液
压缸、驱动柄、行程开关、电磁阀等。动力油来
自机组顶轴油，其运动通过电磁阀和2个行程开
关控制。顶轴油通过液压缸推动驱动柄向上运动,
带动转子上的棘齿轮旋转，当驱动柄到达上限时,
行程开关触动，三通电磁阀换向，液压缸向下运
动带动驱动柄向下运动直至下限行程开关触发,
如此往复循环推动汽轮机转子持续盘动。
5疏水去湿防腐措施
机组的高低压缸都工作在湿蒸汽区，为了防
止湿蒸汽腐蚀，采取了一系列除湿防腐措施。
首先，在选材方面大量采用不锈钢，或者堆
焊、镶焊不锈钢，以提高机组自身的抗湿腐蚀特
性。采用不锈钢的主要部件有：静叶片、高压隔
板内外环、汽封圈、高压主汽调节阀阀芯、高压
排汽管等。堆焊、镶焊不锈钢的部位有高压缸开
档贴合面、低压缸开档贴合面、低压隔板中分面、
高压排汽口，高压抽汽口、低压排汽导流环、低
压3/4级隔板外环等。
其次，除了机组配备汽水分离再热器外，汽
轮机本体上采用了充分的疏水去湿措施。高压隔
板、低压4/5级隔板的外环上都开有祛湿孔或祛湿
缝，低压排汽导流环上也有祛湿缝。另外，高中
压缸、低压缸通过各抽汽口或者专门的疏水孔保
证能将缸内疏水及时排出。缸内隔板及汽封圈都
在下半的底部开有专门的疏水孔或疏水槽将疏水
及时引流到汽缸各抽汽、疏水孔。
还有，对末级动叶淬火硬化，提高抗水蚀性
能。末级叶片的工作湿度大，且线速度大，是发
生水蚀的高危部件。湿蒸汽中的水滴，由于颗粒
大，在静叶出口绝对速度比设计速度小很多，进
入动叶时的相对速度会发生偏转，而冲到动叶进
汽侧背弧。因此末叶的进汽侧背弧是最易发生水
蚀的部位，故对该部位进行了淬火硬化处理。
6结论
作为GE核电技术的核心,ARABELLE系列
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