李澤培，謝蘇燕，劉全

(東方汽輪機(jī)有限公司，四川德陽(yáng)，618000)

雙轉(zhuǎn)子互換高背壓改造葉片安全評(píng)估

李澤培，謝蘇燕，劉全

(東方汽輪機(jī)有限公司，四川德陽(yáng)，618000)

汽輪機(jī)在供熱期和非供熱期采用雙低壓轉(zhuǎn)子互換，是實(shí)現(xiàn)高背壓供熱改造的一個(gè)行之有效的手段。采用雙轉(zhuǎn)子互換的高背壓改造方案，除了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方面的考慮外，仍需要對(duì)采暖期的低壓去級(jí)轉(zhuǎn)子的末葉進(jìn)行安全性評(píng)估，以保證其能滿足末級(jí)葉片高背壓運(yùn)行的要求。文章著重分析了高背壓末葉安全性的考慮因素，并對(duì)葉片可能的顫振風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了論證。

高背壓改造，雙轉(zhuǎn)子互換，末葉，顫振

0 引言

高背壓供熱機(jī)組是近年為適應(yīng)北方采暖供熱而出現(xiàn)的改造型機(jī)組，是電廠滿足對(duì)外供熱需求和提高機(jī)組效率的有力措施。300 MW等級(jí)的濕冷汽輪機(jī)一般通過(guò)在供熱期和非供熱期采用雙低壓轉(zhuǎn)子互換方案，來(lái)實(shí)現(xiàn)高背壓供熱改造。采暖期時(shí)，低壓缸排汽壓力升高，排汽溫度提高，加熱進(jìn)入汽輪機(jī)凝汽器的熱網(wǎng)循環(huán)水，使其供熱、冷源損失降為零，提高機(jī)組的循環(huán)熱效率。采暖季高背壓運(yùn)行的低壓轉(zhuǎn)子，在原有轉(zhuǎn)子基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，拆除部分級(jí)次動(dòng)靜葉，增加導(dǎo)流環(huán)結(jié)構(gòu)來(lái)代替，軸系轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)不變。這樣的改造方案可以有效降低電廠更換轉(zhuǎn)子的周期和難度，帶來(lái)最大的經(jīng)濟(jì)收益。

機(jī)組采用雙轉(zhuǎn)子互換技術(shù)進(jìn)行高背壓改造，為實(shí)現(xiàn)采暖供熱期高背壓和非采暖供熱期常規(guī)純凝低背壓運(yùn)行功能，在汽輪機(jī)的改造設(shè)計(jì)過(guò)程中，除了需綜合考慮汽輪機(jī)通流、本體、軸系、輔助及回?zé)嵯到y(tǒng)、控制系統(tǒng)及其他方面存在的主要問(wèn)題，還必須論證高背壓時(shí)末級(jí)葉片的安全性問(wèn)題，包括顫振的風(fēng)險(xiǎn)。

這是因?yàn)?，高背壓轉(zhuǎn)子一般是在原有轉(zhuǎn)子基礎(chǔ)上去級(jí)運(yùn)行，原來(lái)的中間級(jí)次將要承當(dāng)末級(jí)葉片的變背壓功能，需要重新按照末葉的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)體系來(lái)評(píng)估高背壓轉(zhuǎn)子末葉的強(qiáng)度、振動(dòng)安全性。相對(duì)而言，曾經(jīng)的中間級(jí)次葉片展弦比相較末級(jí)而言要大得多，若葉片的剛性不足，顫振的風(fēng)險(xiǎn)必須考慮。本文將探討雙轉(zhuǎn)子互換方案中高背壓末葉的安全評(píng)估。

1 常規(guī)蒸汽彎應(yīng)力評(píng)估

高背壓工況時(shí)，低壓去級(jí)后的各級(jí)葉片，尤其是末級(jí)葉片，相對(duì)于原來(lái)的純凝工況，焓降分配會(huì)發(fā)生變化，蒸汽彎應(yīng)力水平也會(huì)改變。特別地，若高背壓工況下，末級(jí)葉片背壓較純凝時(shí)級(jí)后壓力變低，會(huì)導(dǎo)致級(jí)功率顯著增大，此時(shí)必須考核蒸汽彎應(yīng)力水平，必須滿足末葉的考核準(zhǔn)則。

隨著背壓的降低，末級(jí)葉片承擔(dān)了絕大多數(shù)的負(fù)荷，當(dāng)達(dá)到極限阻塞工況時(shí)，動(dòng)葉的切向力和載荷最大，為葉片的強(qiáng)度校核工況。

2 小容積工況顫振評(píng)估

當(dāng)機(jī)組在小容積流量下工作時(shí)，低壓缸末級(jí)氣動(dòng)特性將急劇惡化。末級(jí)首先在動(dòng)葉根部和靜葉頂部處的氣流發(fā)生脫流，形成2個(gè)旋渦區(qū)，末級(jí)通流效率將大大降低，低壓缸效率也會(huì)受到較大影響，由于渦流引起的鼓風(fēng)損失及其他附加損失，使汽流被加熱，溫度升高，影響排汽缸軸承標(biāo)高，危及軸系振動(dòng)安全性。當(dāng)容積流量進(jìn)一步減小，末級(jí)一部分汽流做的功率等于消耗的功率時(shí)，末級(jí)不再輸出功率，此工況稱為零功率工況，此時(shí)對(duì)應(yīng)的軸向出口馬赫數(shù)大約為0.20～0.27。容積流量再減小超過(guò)此工況時(shí)，末級(jí)完全在鼓風(fēng)工況下運(yùn)行，溫度急劇上升，這是必須避免的。

末級(jí)葉片的級(jí)焓降大，動(dòng)葉出口速度高，變工況情況復(fù)雜。在高背壓、小流量工況下葉頂出現(xiàn)大的負(fù)攻角，在葉片內(nèi)弧產(chǎn)生脫流區(qū)，引起作用于葉片上的氣動(dòng)力改變等。葉片周圍非穩(wěn)定流場(chǎng)的氣動(dòng)力與葉片振動(dòng)之間相互耦合，就會(huì)產(chǎn)生流體與葉片之間的能量傳遞。在小容積流量工況下，動(dòng)葉進(jìn)口大負(fù)攻角引起大尺度分離流誘導(dǎo)的一種“自激振動(dòng)”，就是失速顫振。沿葉高將各截面?zhèn)鬟f的能量進(jìn)行積分，如果是流場(chǎng)的能量不斷輸入到葉片系統(tǒng)中，則葉片的振幅就會(huì)不斷增大，發(fā)生顫振。顫振就是系統(tǒng)負(fù)阻尼引發(fā)的系統(tǒng)不穩(wěn)定性發(fā)散振動(dòng)。

作為工程應(yīng)用，對(duì)于顫振經(jīng)驗(yàn)的方法可以計(jì)算葉片特征截面的改進(jìn)斯特勞哈爾數(shù)。以自由葉片形式工作的葉片，當(dāng)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)SE小于許用值時(shí)，結(jié)構(gòu)具有足夠的剛性，不會(huì)發(fā)生顫振。GE等世界知名公司經(jīng)過(guò)分析和試驗(yàn)研究均認(rèn)為采用整體圍帶和拉筋使葉片成圈，這種結(jié)構(gòu)是防止顫振最有效的措施。由于葉片顫振時(shí)，往往是葉尖附近的一段從氣流中吸取能量，而沿葉高的另一部分是將能量傳給氣流，選擇葉尖附近某一位置表示平均效應(yīng)，一般取0.85相對(duì)葉高處的截面作為特征截面。

式中：

w—相對(duì)氣流速度；

ω—最低振動(dòng)模態(tài)的角速度；

c—特征截面弦長(zhǎng)；

b—葉片節(jié)距；

ρs—蒸汽密度；

ρm—葉片材料密度。

3 小容積流量工況動(dòng)應(yīng)力水平評(píng)估

理論上通過(guò)對(duì)低壓模塊建模，根據(jù)實(shí)際的邊界條件進(jìn)行流固耦合分析，可以相對(duì)精確地模擬葉片的動(dòng)應(yīng)力水平，通過(guò)數(shù)值模擬結(jié)果，評(píng)估末級(jí)動(dòng)葉片的安全性。事實(shí)上，隨著計(jì)算機(jī)硬件水平的提高，很多商用軟件已經(jīng)提供流固耦合計(jì)算動(dòng)應(yīng)力的功能模塊。然而，容積流量減小，流線開(kāi)始扭曲，汽流在導(dǎo)葉擠向根部，在動(dòng)葉則偏向外緣。隨著流量的進(jìn)一步減小，這種趨勢(shì)也更為加劇。當(dāng)容積流量減小到某一數(shù)值，動(dòng)葉根部出現(xiàn)脫流。動(dòng)葉根部出現(xiàn)脫流以后，容積流量再進(jìn)一步降低時(shí)，在葉間間隙（噴嘴出口邊到動(dòng)葉進(jìn)口邊之間的軸向間隙）的外緣部分就產(chǎn)生渦流。主流沿葉片的外緣部分向出口流動(dòng)，在葉根凝汽器側(cè)空間的冷濕蒸汽從排汽管向通流部分運(yùn)動(dòng)。小容積流量工況流動(dòng)的非定常特性更為明顯，對(duì)于小容積工況的流場(chǎng)還沒(méi)有比較理想的計(jì)算方法，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行動(dòng)應(yīng)力分析就更具挑戰(zhàn)了，目前工程應(yīng)用中實(shí)用性不強(qiáng)。

綜合各種文獻(xiàn)資料的試驗(yàn)研究結(jié)果，在高背壓小容積流量下，末級(jí)動(dòng)葉片動(dòng)應(yīng)力放大約3～18倍。高限值應(yīng)對(duì)應(yīng)阻尼小、剛度小、有可能發(fā)生顫振的自由葉片，低限值應(yīng)對(duì)應(yīng)阻尼大、剛度大、不可能發(fā)生顫振的成圈葉片。圖1所示是成圈葉片中末級(jí)葉片動(dòng)應(yīng)力隨背壓變化試驗(yàn)曲線。由于小容積流量工況時(shí)的流動(dòng)是高度非定常，汽流激振不穩(wěn)定，直接數(shù)值評(píng)估難度太大，誤差也無(wú)法評(píng)估。可以利用在設(shè)計(jì)工況時(shí)的定常數(shù)值分析結(jié)果，考慮一定的放大系數(shù)，通過(guò)這種半經(jīng)驗(yàn)的方式，計(jì)算小容積工況下的動(dòng)應(yīng)力水平，來(lái)作為末級(jí)動(dòng)葉片的安全性評(píng)判依據(jù)。

圖1 末級(jí)葉片動(dòng)應(yīng)力隨背壓變化試驗(yàn)曲線

4 實(shí)例分析

以上面的設(shè)計(jì)思路對(duì)某300 MW等級(jí)濕冷機(jī)組低壓轉(zhuǎn)子進(jìn)行高背壓改造設(shè)計(jì)。該機(jī)組高背壓工況設(shè)計(jì)背壓54 kPa，純凝工況為6級(jí)，其中次次末級(jí)級(jí)后壓力49 kPa。工況論證后選取去兩級(jí)運(yùn)行的通流方案，即原次次末級(jí)321葉片成為高背壓時(shí)的末葉。①按照阻塞工況校核高背壓時(shí)的蒸汽彎應(yīng)力水平，滿足設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。②采用自帶冠成圈結(jié)構(gòu)，保證末葉具有較好的結(jié)構(gòu)剛性，同時(shí)提高整體的氣動(dòng)阻尼效果，提高結(jié)構(gòu)顫振的閾值。③對(duì)頂部截面校核SE數(shù)，321葉片的該指標(biāo)遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。④按照定常工況計(jì)算末級(jí)321葉片0～11節(jié)徑的動(dòng)響應(yīng)，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，評(píng)估計(jì)算小容積流量工況下葉片的動(dòng)應(yīng)力水平。

8節(jié)徑1階動(dòng)頻避開(kāi)率為3.95%，較其他節(jié)徑的避開(kāi)率小。響應(yīng)在共振點(diǎn)時(shí)達(dá)到最大，由于系統(tǒng)的阻尼作用，偏離共振點(diǎn)時(shí)，響應(yīng)迅速衰減。故而避開(kāi)率越大，響應(yīng)會(huì)越小。另外，當(dāng)節(jié)徑增加，維持響應(yīng)耗能更大，動(dòng)響應(yīng)水平也會(huì)隨之降低；反之，低節(jié)徑的響應(yīng)更危險(xiǎn)。所以，分別計(jì)算了7、8節(jié)徑一階的動(dòng)響應(yīng)，用于衡量該321.3葉片的整體動(dòng)響應(yīng)水平。

在8節(jié)徑動(dòng)響應(yīng)分析中，正常周波時(shí)動(dòng)應(yīng)力值為1.77 MPa，如圖2所示。

圖28 節(jié)徑1階動(dòng)應(yīng)力（正常工況）

對(duì)比計(jì)算7節(jié)徑1階的動(dòng)應(yīng)力水平，正常周波時(shí)動(dòng)應(yīng)力為0.56 MPa，如圖3所示。

圖37 節(jié)徑1階動(dòng)應(yīng)力（正常工況）

由計(jì)算可知，綜合考慮避開(kāi)率和節(jié)徑影響，動(dòng)應(yīng)力水平很低，都是小于2 MPa?；谛∪莘e流量下動(dòng)應(yīng)力測(cè)試結(jié)果表明（見(jiàn)圖1），在小容積流量下，一般是10%～20%范圍內(nèi)，動(dòng)應(yīng)力迅速放大，成圈葉片放大比例一般為3～5倍。保守考慮放大系數(shù)5倍，則小容積流量下，運(yùn)行工況下動(dòng)應(yīng)力最大為10 MPa，根據(jù)動(dòng)應(yīng)力評(píng)判規(guī)范，即使動(dòng)應(yīng)力在小容積流量下放大，也是滿足設(shè)計(jì)規(guī)范的。

321.3 末級(jí)葉片阻尼特性強(qiáng)，小容積工況下強(qiáng)度、剛度滿足設(shè)計(jì)要求，不會(huì)發(fā)生顫振。

5 結(jié)論

本文對(duì)雙轉(zhuǎn)子互換高背壓改造中供熱期的低壓轉(zhuǎn)子通流設(shè)計(jì)進(jìn)行了探討，并對(duì)某300 MW等級(jí)濕冷高背壓321葉片的安全性進(jìn)行例證分析?；诜治鼋Y(jié)果表明，該葉片滿足高背壓運(yùn)行要求，不會(huì)發(fā)生顫振。本文論述的末葉開(kāi)發(fā)分析過(guò)程，對(duì)于高背壓改造中采用雙轉(zhuǎn)子互換方案的末葉安全性評(píng)估具有工程參考價(jià)值。

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圖6 葉根輪槽變形（相對(duì)轉(zhuǎn)速0.8）

5 結(jié)論

通過(guò)本文對(duì)樅樹(shù)型葉根間隙流量系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果的分析，可得出以下結(jié)論：

（1）旋轉(zhuǎn)過(guò)程中由于樅樹(shù)型葉根和輪槽均發(fā)生不同程度的變形，樅樹(shù)型葉根間隙流量系數(shù)隨轉(zhuǎn)速的升高有所增大，但增大的量不是很大；

（2）一定壓比范圍內(nèi)樅樹(shù)型葉根間隙的流量系數(shù)隨壓比的升高變大，壓比達(dá)到一定量值后趨于穩(wěn)定；

（3）樅樹(shù)型葉根間隙流量系數(shù)和平衡孔相比較小，葉根間隙設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)給予考慮；

（4）試驗(yàn)得到不同工況下樅樹(shù)型葉根間隙的流量系數(shù)，可以為計(jì)算模型的修正提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)的支撐，為熱力計(jì)算和工程應(yīng)用提供準(zhǔn)確的取值方法。

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Safety Assessment of High Back-pressure Retrofit Blade with Double Rotors Swap

Li Zepei，Xie Suyan，Liu Quan
（Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

Using double low pressure rotors swap in the heating period and non-heating period is an effective mean to achieve high back-pressure retrofit.The retrofit scheme of double LP rotors swap,besides the consideration of system structure,still needs to make safety assessment of the last stage blade during the heating period,to ensure meet the requirement of the last stage blade high back-pressure operation.This paper analyzes the safety factor of the last stage blade in the high back-pressure and the potential risk of blade flutter.

high back-pressure retrofit,double rotors swap,last stage blade,flutter

TK263

A

1674-9987（2015）04-0013-04

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2015.04.004

李澤培（1983-），男，工程師，畢業(yè)于華中科技大學(xué)熱動(dòng)專業(yè)，主要從事汽輪機(jī)葉片設(shè)計(jì)工作。