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）

0 引言

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%。

1 新型高壓級隔板靜葉柵結(jié)構(gòu)

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。

2 新型高壓級隔板靜葉柵氣動特性

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)⑵x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。

3 新型高壓級隔板靜葉柵強度特性

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

4 結(jié)語

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。