冷 駿，陳 穎，高怡秋，靳 軍

(1.海軍駐上海第七○四研究所軍代表室，上海 200031;2.海裝上海局，上海 200083;3.中國船舶重工集團(tuán)公司第七○四研究所，上海 200031)

0 引言

汽輪機(jī)葉片在工作狀態(tài)中承受著汽流力與離心拉應(yīng)力，除此之外，還將受到因汽流不均勻產(chǎn)生的激振力的作用。同壓力級(jí)相比，調(diào)節(jié)級(jí)在部分進(jìn)汽時(shí)，由于承擔(dān)更大的焓降及部分進(jìn)汽激振力的作用，葉片工作條件更加惡劣［1］。在部分進(jìn)汽狀態(tài)下，動(dòng)葉將承受比全周進(jìn)汽時(shí)大2～5倍的非定常力［2］。同時(shí)部分進(jìn)汽激振力的不平衡擾動(dòng)作用將對(duì)機(jī)組的振動(dòng)特性產(chǎn)生一定的影響，如對(duì)軸承瓦溫、瓦振和轉(zhuǎn)子軸心位置的影響［3］。調(diào)節(jié)級(jí)動(dòng)葉的動(dòng)應(yīng)力與靜態(tài)下的汽流彎應(yīng)力直接相關(guān)，因此在設(shè)計(jì)時(shí)，葉片的振動(dòng)特性及調(diào)節(jié)級(jí)在部分進(jìn)汽時(shí)的彎應(yīng)力是葉片強(qiáng)度振動(dòng)計(jì)算的主要問題。

本次研究對(duì)象為船舶發(fā)電用汽輪機(jī)，通流部分由調(diào)節(jié)級(jí)和壓力級(jí)組成，其中調(diào)節(jié)級(jí)采用了大焓降的雙列復(fù)速級(jí)結(jié)構(gòu)。在對(duì)汽輪機(jī)葉片強(qiáng)度的核算中，發(fā)現(xiàn)在部分負(fù)荷下，復(fù)速級(jí)第二列動(dòng)葉所承受的汽流彎應(yīng)力偏大，使機(jī)組存在一定的安全隱患。

根據(jù)汽輪機(jī)的實(shí)際結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合不同配汽方式的工作特性，提出了對(duì)該汽輪機(jī)的改造方案。通過對(duì)配汽方式的改造，實(shí)現(xiàn)動(dòng)葉汽流彎應(yīng)力的降低，以排除安全隱患，提高產(chǎn)品使用壽命。

1 配汽方式對(duì)汽流彎應(yīng)力的影響

1.1 汽輪機(jī)配汽方式

汽輪機(jī)的配汽機(jī)構(gòu)用于改變蒸汽流量或同時(shí)改變蒸汽流量以及焓降以改變汽輪機(jī)的輸出功率，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的變化。常用的配汽方式主要包括噴嘴配汽和節(jié)流配汽。

噴嘴配汽方式時(shí)，調(diào)節(jié)級(jí)分為若干個(gè)噴嘴組，通過改變噴嘴組的數(shù)量實(shí)現(xiàn)蒸汽流量以及負(fù)荷的變化。在負(fù)荷很小時(shí)，只有一個(gè)調(diào)節(jié)閥開啟，此時(shí)只有第一噴嘴組進(jìn)汽，部分進(jìn)汽度最小;當(dāng)負(fù)荷增大時(shí)，第二調(diào)節(jié)閥開啟，第二噴嘴組開始進(jìn)汽，部分進(jìn)汽度增大，以此類推。噴嘴配汽在部分負(fù)荷時(shí)的節(jié)流損失較少，效率更高。對(duì)于噴嘴配汽，在初參數(shù)保持不變，負(fù)荷發(fā)生改變時(shí)，壓力級(jí)前的壓力會(huì)隨著負(fù)荷的減小而降低，使調(diào)節(jié)級(jí)的焓降有所增大。

節(jié)流配汽是通過節(jié)流閥開度的變化使蒸汽流量和參數(shù)同時(shí)發(fā)生改變。在部分負(fù)荷時(shí)，由于蒸汽受到節(jié)流，使汽輪機(jī)的理想焓降減小，因此效率較低。圖1為采用節(jié)流調(diào)節(jié)改變汽輪機(jī)流量時(shí)，調(diào)節(jié)級(jí)和整個(gè)汽輪機(jī)壓力降的變化，在節(jié)流調(diào)節(jié)時(shí)整個(gè)汽輪機(jī)的壓力降隨流量而減小，因此汽輪機(jī)的總焓降也減小。

圖1 節(jié)流調(diào)節(jié)時(shí)汽輪機(jī)的壓力和流量Fig.1 Pressure and flux of turbine under throttle governing

節(jié)流配汽方式時(shí)，調(diào)節(jié)級(jí)的通流面積 (即噴嘴數(shù)量)維持恒定，因此調(diào)節(jié)級(jí)的初壓和終壓均與蒸汽流量成正比例關(guān)系變化。此時(shí)調(diào)節(jié)級(jí)如同一個(gè)中間級(jí)，各個(gè)工況下的焓降均保持不變，而調(diào)節(jié)汽閥則類似于一個(gè)效率為0的調(diào)節(jié)級(jí)。

1.2 汽流彎應(yīng)力的影響因素

對(duì)于動(dòng)葉而言，由于彎矩作用產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力按下式計(jì)算:

式中:M為彎矩，M=Pl/2，P為汽流力，l為動(dòng)葉高度;W為抗彎斷面模數(shù)。

在已知?jiǎng)尤~高度和抗彎斷面模數(shù)時(shí)，彎應(yīng)力由汽流力的大小決定。

動(dòng)葉所受汽流力包括周向力和軸向力，汽流作用在每個(gè)葉片上的周向力為

式中:G為蒸汽流量;z為級(jí)的動(dòng)葉片數(shù)量;ε為部分進(jìn)汽度;C1u和C2u為噴嘴和動(dòng)葉出口處汽流周向絕對(duì)速度，如圖2所示;Δhu為動(dòng)葉的輪周焓降;u為級(jí)的圓周速度。

軸向力為

式中:G為蒸汽流量;z為級(jí)的動(dòng)葉片數(shù)量;ε為部分進(jìn)汽度;C1a和C2a為噴嘴和動(dòng)葉出口處汽流軸向絕對(duì)速度，如圖2所示;Δp為動(dòng)葉前后的汽流壓差;t為葉片的節(jié)距;l為葉片的高度。

則作用在葉片上的汽流力為

圖2 速度三角形Fig.2 Velocity triangle

對(duì)于雙列調(diào)節(jié)級(jí)而言，動(dòng)葉的反動(dòng)度取值較小，葉片前后的軸向速度和壓差對(duì)汽流力的影響不大。因此汽流力的主要決定因素為蒸汽流量、焓降和部分進(jìn)汽度，對(duì)于單組噴嘴，取決于蒸汽流量與焓降的乘積，即輪周功。

1.3 配汽方式對(duì)汽流彎應(yīng)力的影響

對(duì)于凝汽式汽輪機(jī)，在負(fù)荷改變時(shí)調(diào)節(jié)級(jí)與壓力級(jí)的焓降分配將發(fā)生變化。對(duì)于噴嘴配汽，負(fù)荷越低，調(diào)節(jié)級(jí)焓降越大;而對(duì)于節(jié)流配汽，由于節(jié)流閥的作用，調(diào)節(jié)級(jí)的焓降不隨負(fù)荷的變化而改變。另一方面，在低負(fù)荷工況時(shí)，節(jié)流配汽由于投入工作的噴嘴組數(shù)量大于噴嘴配汽，在二者總流量相等時(shí)，節(jié)流配汽下單組噴嘴通過的流量則更小。

動(dòng)葉汽流力決定于動(dòng)葉的輪周功，即流量與焓降的乘積，因此調(diào)節(jié)級(jí)流量以及焓降的變化會(huì)直接導(dǎo)致動(dòng)葉所受汽流力的改變。當(dāng)流量與焓降均減小時(shí)，節(jié)流配汽下的動(dòng)葉汽流力將相應(yīng)降低。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)資料噴嘴配汽下的調(diào)節(jié)級(jí)在惡劣工況時(shí)，動(dòng)葉所受應(yīng)力約為節(jié)流配汽的6～10倍。

2 配汽方式的改造

汽輪機(jī)采用噴嘴配汽方式，如圖3所示，配汽機(jī)構(gòu)為提板式結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)汽閥共分為5組，沿水平方向左右依次分布，每組閥對(duì)應(yīng)一組噴嘴。

圖3 配汽機(jī)構(gòu)與汽缸示意圖Fig.3 Steam distribution and cylinder

根據(jù)汽流彎應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果，結(jié)合機(jī)組實(shí)際使用工況，決定采用3組噴嘴聯(lián)通的方案，汽缸的改造方案如圖4所示，打通相鄰的兩排隔板，將3組噴嘴聯(lián)通，使來自第1組調(diào)節(jié)汽閥的汽流可同時(shí)進(jìn)入I，II，III組噴嘴。

圖4 汽缸改造方案示意圖Fig.4 Change scheme of cylinder

根據(jù)蒸汽初始參數(shù)、調(diào)節(jié)閥型線以及噴嘴幾何參數(shù)，可得到調(diào)節(jié)閥組的流量升程特性曲線［5－6］。在不改變調(diào)節(jié)汽閥型線，僅將3組噴嘴聯(lián)通的情況下，流量特性曲線如圖5所示。由于調(diào)節(jié)閥重疊度不夠，使得在前3組調(diào)節(jié)汽閥達(dá)到臨界流量時(shí)，第4組調(diào)節(jié)汽閥仍未能開啟，因此出現(xiàn)了流量特性曲率的波動(dòng)。

圖5 三組噴嘴聯(lián)通后的流量特性Fig.5 Flux characteristic under first three control valves get through

為使流量特性滿足調(diào)節(jié)要求，需對(duì)調(diào)節(jié)汽閥做出相應(yīng)調(diào)整，改進(jìn)方案如下:

方案1:減小第4組和第5組閥的重疊度，即曲線 ［0.8，1］段前移至X/X0=0.6處，但該方案會(huì)使整個(gè)調(diào)節(jié)汽閥以及油動(dòng)機(jī)的總行程減小，同時(shí)增加特性曲線的斜率，使機(jī)組的穩(wěn)態(tài)調(diào)速率減小，不利于機(jī)組的調(diào)節(jié)與并網(wǎng)的穩(wěn)定性。

方案2:改變前3組閥的型線，維持第4組和第5組閥重疊度不變，即降低曲線 ［0，0.6］段的斜率，該方案需要對(duì)前3組調(diào)節(jié)閥的型線進(jìn)行重新設(shè)計(jì)以保證流量特性曲線與原型基本相似。

根據(jù)上述分析，最終選取方案2作為改進(jìn)方案。通過計(jì)算不同型線的調(diào)節(jié)閥，得到最佳方案。如圖6所示，相比原閥型線，新調(diào)節(jié)汽閥的閥錐角度相應(yīng)減小，長(zhǎng)度有所增加。

圖6 調(diào)節(jié)汽閥的改進(jìn)Fig.6 Improvement of control valves

根據(jù)新閥型線，對(duì)新調(diào)節(jié)閥的流量特性進(jìn)行了重新計(jì)算，如圖7所示。新型線與原型線相比，在［0，0.5］段內(nèi)降低了曲線的斜率，而在 ［0.5，0.8］段內(nèi)有所增加，以滿足第4組和第5組閥的重疊度要求，即在第4組和第5組閥不變的情況下，使前3組閥流量特性與后2組閥流量特性曲率相同，避免在第4組閥開啟時(shí)流量特性出現(xiàn)大幅度的波動(dòng)，由圖可以看出，調(diào)節(jié)閥組在第4組閥開啟時(shí)曲線光滑連續(xù)，無明顯拐點(diǎn)。

圖7 改進(jìn)后的調(diào)節(jié)汽閥流量特性Fig.7 Flux characteristic after improved

3 試驗(yàn)

3.1 調(diào)節(jié)汽閥的流量特性

在完成配汽方式的改造后進(jìn)行了調(diào)節(jié)汽閥的流量特性試驗(yàn)，在汽輪機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后對(duì)不同負(fù)荷下的蒸汽流量進(jìn)行了測(cè)定，每增加10%負(fù)荷進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集。圖8分別為調(diào)節(jié)汽閥流量特性、噴嘴前壓力的計(jì)算值與試驗(yàn)值對(duì)比。

在設(shè)計(jì)過程中，調(diào)節(jié)汽閥的計(jì)算采用飽和蒸汽為工質(zhì);而在汽輪機(jī)的實(shí)際試驗(yàn)中，所用“飽和蒸汽”是通過對(duì)過熱蒸汽減溫減壓后得到的，因此存在一定的過熱度，而過熱蒸汽與飽和蒸汽在計(jì)算上存在一定的差別，例如蒸汽比熱比、噴嘴流量系數(shù)等，這使得試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算值產(chǎn)生了一定的偏差。

在對(duì)蒸汽參數(shù)過熱度加以考慮后，得到了修正后的調(diào)節(jié)汽閥流量特性、噴嘴前壓力，如圖9所示。從圖中可以看出，通過參數(shù)的修正，計(jì)算值與試驗(yàn)值的吻合度非常好;在第4組閥開啟時(shí)，即X/X0≈0.8時(shí)，沒有出現(xiàn)流量特性的波動(dòng)。

圖8 計(jì)算值與試驗(yàn)值對(duì)比Fig.8 Compared with calculated and experimental

試驗(yàn)結(jié)果表明，調(diào)節(jié)汽閥的計(jì)算方法合理得當(dāng)，計(jì)算結(jié)果真實(shí)可靠，從工程設(shè)計(jì)的角度而言已經(jīng)具備了相當(dāng)?shù)木取?/p>

圖9 計(jì)算值與試驗(yàn)修正值對(duì)比Fig.9 Compared with calculated and experimental corrected

圖10為改造前后流量特性的試驗(yàn)值對(duì)比，與計(jì)算結(jié)果相同，改造后的流量特性在 ［0，0.5］段曲線的斜率小于原噴嘴配汽的特性曲線，在達(dá)到額定負(fù)荷時(shí)，二者升程與汽耗量基本相同。

圖10 改造前后流量特性對(duì)比Fig.10 Compared with flux characteristic before and after improved

3.2 配汽方式對(duì)調(diào)速系統(tǒng)的影響

為考查配汽方式對(duì)汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)性能的影響，掌握改造后汽輪機(jī)的調(diào)速控制性能，分別對(duì)改造前后汽輪機(jī)的穩(wěn)態(tài)調(diào)速率、轉(zhuǎn)速波動(dòng)率等性能參數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

1)穩(wěn)態(tài)調(diào)速率

在穩(wěn)定工況下，汽輪機(jī)的功率由滿載到空載時(shí)，其轉(zhuǎn)速的改變量Δn與額定轉(zhuǎn)速n0之比的百分?jǐn)?shù)稱之為穩(wěn)態(tài)調(diào)速率，即

表1 改造前后汽輪機(jī)穩(wěn)態(tài)調(diào)速率Tab.1 The stable speed regulating before and after improved

改造前后汽輪機(jī)穩(wěn)態(tài)調(diào)速率如表1所示?？梢钥闯?，改造后的穩(wěn)定調(diào)速率略有減小，這是由于采用了節(jié)流配汽方式之后流量特性曲線在［0，0.4］段升程內(nèi)斜率較低 (如圖7所示)，因此在空載工況下

而在滿載工況下

對(duì)于液壓式調(diào)速器，不同轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)不同信號(hào)油壓，因此對(duì)應(yīng)不同的錯(cuò)油門平衡位置，而錯(cuò)油門平衡位置與油動(dòng)機(jī)行程，即調(diào)節(jié)汽閥升程成線性關(guān)系。因此，調(diào)節(jié)汽閥由空載至滿載的總升程可影響到汽輪機(jī)的穩(wěn)態(tài)調(diào)速率:總升程越大，穩(wěn)態(tài)調(diào)速率約大，反之亦然。因此，由于改造后總升程的減少，使穩(wěn)態(tài)調(diào)速率也相應(yīng)減小。

2)轉(zhuǎn)速波動(dòng)率

改造前后汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)率見圖11所示，從圖中可以看出，不同負(fù)荷下的轉(zhuǎn)速波動(dòng)率沒有發(fā)生明顯的變化，均滿足設(shè)計(jì)要求 (≤0.3%)。

圖11 改造前后不同負(fù)荷的轉(zhuǎn)速波動(dòng)率Fig.11 Speed fluctuation rate under different loads before and after improved

從試驗(yàn)結(jié)果來看，改造后汽輪機(jī)的調(diào)速性能穩(wěn)定、可靠，各項(xiàng)性能指標(biāo)變化較小，說明配汽方式的改變沒有對(duì)汽輪機(jī)調(diào)速特性造成明顯的影響。

4 結(jié)語

1)調(diào)節(jié)級(jí)動(dòng)葉汽流力決定于蒸汽流量與焓降的乘積。相比噴嘴配汽，采用節(jié)流配汽方式可大幅降低動(dòng)葉的汽流力;

2)針對(duì)發(fā)電用汽輪機(jī)汽流彎應(yīng)力偏大的問題，提出了配汽方式的改造方案;

3)通過合理的設(shè)計(jì)與準(zhǔn)確的計(jì)算，使改造后的前3組汽閥與后2組未改造的汽閥良好的結(jié)合，整個(gè)閥組的流量特性曲線光滑連續(xù)，無明顯拐點(diǎn)，能滿足調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求;

4)調(diào)節(jié)汽閥的計(jì)算結(jié)果真實(shí)可信，噴嘴前壓力、不同升程下的蒸汽流量等參數(shù)與試驗(yàn)值具有較高的一致性;

5)改造后的配汽方式不會(huì)對(duì)調(diào)速器穩(wěn)定性以及調(diào)速性能造成過大影響，汽輪機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)要求。

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