周 奇,廖 斌,王國棟,徐大偉
(山東齊魯電機制造有限公司,山東 濟南 250100)
汽輪機高壓級隔板由隔板外環(huán)、隔板體、隔板內(nèi)外圍帶及靜葉柵組成。靜葉柵與內(nèi)外圍帶采用沖孔焊接,再與隔板外環(huán)和隔板體焊接成型,如圖1所示。圖中:1為隔板外環(huán);2為隔板體;3為隔板靜葉柵。
圖1 汽輪機高壓級隔板外形結(jié)構(gòu)圖
汽輪機高壓通流部分結(jié)構(gòu)設(shè)計中,由于流過高壓部分蒸汽壓力高、溫度高、比容小,所需的葉柵通道通流面積小,所以隔板靜葉片高度短;且沖動式汽輪機靜葉前后壓差大,為了保證隔板的強度,隔板體軸向?qū)挾容^大,隔板體大多采用CrMo鋼鑄造而成[1]。早期常規(guī)設(shè)計中為了解決這一問題,通常采用窄葉片配合加強筋結(jié)構(gòu),加強筋可謂是汽輪機通流部分中最不被重視的部件之一,在氣動熱力計算時也從不過問其存在,似乎它的唯一任務(wù)就是保證隔板的強度和剛度,至于它對汽輪機經(jīng)濟性的影響就極少考慮。這種結(jié)構(gòu)有效的保證了隔板、靜葉整體的強度,但由于加強筋的型線與葉型不匹配,且加強筋與窄葉片在裝配過程中不能實現(xiàn)完全對齊,易在小葉片的入口處產(chǎn)生旋渦擾流,所以造成高壓隔板靜葉柵蒸汽流動損失大,高壓級組效率低,直接影響汽輪機的整機效率[2]。
從高壓級隔板通流效率和強度兩個方面對常規(guī)高壓級隔板葉柵布置方式和結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化,通過應(yīng)用計算液體力學(xué)和強度有限元數(shù)值分析方法,結(jié)合相關(guān)機組的熱力性能考核試驗結(jié)果分析,采用新型高壓級隔板的機組其高壓通流部分的效率比采用常規(guī)結(jié)構(gòu)時可以提高1.5%~2%。
常規(guī)結(jié)構(gòu)為了保證靜葉隔板強度,采用了加強筋結(jié)構(gòu),新型高壓級隔板在總體結(jié)構(gòu)上與常規(guī)設(shè)計相似,最大區(qū)別是采用進汽邊加長導(dǎo)流葉柵結(jié)構(gòu)代替原有加強筋結(jié)構(gòu)。
新型隔板靜葉柵由主流葉柵和進汽邊加長導(dǎo)流葉柵組成,主流葉柵和進汽邊加長導(dǎo)流葉柵沿隔板體圓周方向間隔布置,兩相鄰進汽邊加長導(dǎo)流葉柵間設(shè)有至少一個主流葉柵,各主流葉柵和各進汽邊加長導(dǎo)流葉柵采用相同的背弧出汽側(cè)型線和內(nèi)弧出汽側(cè)型線,相鄰兩進汽邊加長導(dǎo)流葉柵間構(gòu)成導(dǎo)流流道,主流葉柵間及主流葉柵與進汽邊加長導(dǎo)流葉柵間構(gòu)成主流流道。蒸汽進入隔板的通流區(qū)域首先經(jīng)過進汽邊加長導(dǎo)流葉柵構(gòu)成的導(dǎo)流流道對汽流進行導(dǎo)流,然后再進入主流葉柵間及主流葉柵與加長導(dǎo)流葉柵間的主流流道完成膨脹加速,如圖2所示。圖中:1為小葉片;2為加強筋;3為分流葉片;4為主流葉片。
圖2 常規(guī)隔板靜葉柵與新型隔板靜葉柵結(jié)構(gòu)對比
主流葉柵型線的特點是采用小進汽側(cè)內(nèi)背弧過渡圓結(jié)構(gòu),同時進汽邊加長導(dǎo)流葉柵型線也采用小進汽側(cè)內(nèi)背弧過渡圓結(jié)構(gòu)。進汽邊加長導(dǎo)流葉柵安裝角 βs1=68°~76°; 主流葉柵安裝角 βs2=36°~44°。主流葉柵間以及進汽邊加長導(dǎo)流葉柵和主流葉柵間的節(jié)距相同,進汽邊加長導(dǎo)流葉柵與主流葉柵的出汽邊厚度一致,同時兩類葉柵型線具有相同的最大厚度。
主流葉柵采用先進的設(shè)計方法,通過控制葉片內(nèi)背弧型線使汽流膨脹加速區(qū)沿葉型出汽邊后移,葉型表面大部分區(qū)域的流動附面層邊界層處于層流態(tài),減少葉型摩擦損失,使背弧面出汽側(cè)的邊界層不易產(chǎn)生脫流,從而減少葉型尾跡區(qū)。葉柵通道前段內(nèi)背弧面的壓差較小,橫向壓力梯度也較小,從而推遲了根部端壁二次流的生成和發(fā)展,葉柵流道后半段因汽流膨脹加速,主流通道的速度較高,減小了葉柵根部和頂部附面層汽流的堆積,使二次流損失降低。兩種先進的葉型設(shè)計方法相結(jié)合,有效地減少葉型損失,如圖3所示,在相同的葉柵最佳相對節(jié)距位置,下方的新型葉柵比上方的常規(guī)結(jié)構(gòu)葉型損失(ξp)可以減少0.3%~0.5%。
圖3 常規(guī)結(jié)構(gòu)與新型隔板葉柵葉型損失對比
進汽角是汽流進入葉柵流道時的方向與葉型額線之間所形成的夾角,進汽角與葉柵幾何進口角的夾角稱為沖角,其是汽輪機變工況運行時對葉柵損失有較大影響的因素之一[3]。汽輪機變工況運行時,隔板靜葉柵汽流來流方向?qū)⑵x設(shè)計值,對沖動式汽輪機而言,靜葉片承擔(dān)了大部分焓降,因此靜葉片的沖角適應(yīng)性直接影響機組的變工況性能。主汽葉柵型線采用小的進汽側(cè)內(nèi)背弧過渡圓Ds1設(shè)計,在保證葉片強度的條件下,Ds1僅為葉型最大厚度Ds3的16%~23%,比傳統(tǒng)葉型減少了45%~52%,所以比傳統(tǒng)葉型具有更大的沖角適應(yīng)性范圍。
圖4 高壓級效率與葉片寬比的關(guān)系
進汽邊加長導(dǎo)流葉柵型線采用小的進汽側(cè)內(nèi)背弧過渡圓Ds4,新型的結(jié)構(gòu)有效地減少了由于導(dǎo)流葉柵厚度所引起的對蒸汽的阻流作用,導(dǎo)流葉柵的進汽側(cè)圓角與最大厚度間采用高階光順曲線連接,這樣的型線設(shè)計可使汽輪機在變工況運行時,在導(dǎo)流流道中緩解由于汽流進口角變化在進口部分所形成的擴壓,汽流速度變化率連接平滑,提高了導(dǎo)流流道的蒸汽流動效率。
常規(guī)結(jié)構(gòu)的高壓級隔板采用加強筋設(shè)計保證了隔板的整體強度滿足汽輪機設(shè)計工況及變工況運行的要求,新型隔板靜葉柵的進汽邊加長導(dǎo)流葉柵的加長段在保證隔板強度的機理上與常規(guī)設(shè)計相似,有效地提高了汽輪機高壓級段焊接隔板內(nèi)外圍帶的焊接剛度,并滿足了變工況運行時前后壓差變化對隔板整體強度的要求[4]。
常規(guī)設(shè)計的高壓級隔板葉柵中,當汽流流過加強筋時,靜葉槽道中的加強筋引起的激振力,因沿圓周的汽流速度不均勻而引起對動葉片的激振力,影響轉(zhuǎn)子動葉的強度和做功的效率。新型設(shè)計兩主流葉柵間以及進汽邊加長導(dǎo)流葉柵和主流葉柵間的節(jié)距相同,且型線經(jīng)過氣動優(yōu)化設(shè)計,保證了主流葉柵與導(dǎo)流葉柵受汽流負載相同,降低了在隔板靜葉柵蒸汽流道中產(chǎn)生沖擊應(yīng)力對隔板與葉片連接處的強度的影響,有效提高了隔板靜葉柵的整體強度;減少了隔板靜葉柵出口汽流對于動葉片的激振力的影響。不均勻流場引起的動葉片的激振力現(xiàn)在很難進行準確的測量,只能通過數(shù)值模擬的方式得到靜葉柵出口的汽流分布情況與相應(yīng)頻率的經(jīng)驗曲線進行對照分析,新型隔板靜葉柵出口汽流對于動葉片的高頻激振力(K=1,K=2,K=3)如圖 5 所示。
圖5 靜葉柵出口汽流對動葉片的激振力
通過有限元分析,隔板的最大主應(yīng)力發(fā)生在靜葉與外側(cè)圍帶連接處附近,且在進汽一側(cè)。新型結(jié)構(gòu)由于采用了層流葉型設(shè)計,主流葉柵葉型的最大厚度Ds3相對于傳統(tǒng)葉型增加43%~58%,一方面提高了葉柵適應(yīng)汽輪機變工況運行的能力,另一方面增強了主流葉片的剛性。進汽邊加長導(dǎo)流葉柵的寬度Bs1為隔板體寬度B的72%~82%,有效地解決了在運行中承受翻轉(zhuǎn)力矩的隔板體內(nèi)外環(huán)由于高壓級隔板寬度B遠遠大于主流葉柵寬度Bs2的強度問題。進汽邊加長導(dǎo)流葉柵與主流葉柵出汽側(cè)內(nèi)背弧型線的一致性,特別是出汽邊厚度Ds2是完全一致的,兩類葉柵型線具有相同的最大厚度Ds3,有效提高了隔板葉柵的整體剛度。
新型隔板靜葉柵的兩類葉柵的布置方式,如圖6所示。通過氣動計算分析和試驗及隔板體強度分析和試驗,主流葉柵的葉片數(shù)n與進汽邊加長導(dǎo)流葉柵的葉片數(shù)N關(guān)系為:2(N-6)≤n≤2N。進汽邊加長導(dǎo)流葉柵安裝角βs1=68°~76°,主流葉柵安裝角βs2=36°~44°,由于其與主流葉柵具有相同的出汽側(cè)內(nèi)背弧型線,所以不論兩類葉柵在隔板體周向上如何布置,葉柵通道中任兩只靜葉片間的節(jié)距t都是相等的,且主流流道喉部都是完全相同的,這就保證了蒸汽在動、靜葉柵通道中流動的穩(wěn)定性。
圖6 進汽邊加長導(dǎo)流柵與主流葉柵型線及布置圖
通過對汽輪機新型高壓級隔板主流葉柵及進汽邊加長導(dǎo)流葉柵型線的氣動優(yōu)化設(shè)計和試驗分析,降低了葉型損失,提高了蒸汽在葉柵通道中的流動效率,同時保證了高壓級隔板葉柵弧段的強度,提高了機組運行的安全性和穩(wěn)定性,該新型隔板靜葉柵已成功應(yīng)用于我公司設(shè)計生產(chǎn)的超高壓及高溫高壓熱電聯(lián)產(chǎn)沖動式汽輪機的高壓級段的焊接隔板的靜葉柵,有效提高了高壓缸的效率。