段森， 畢雪

（哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150046）

0 引言

現(xiàn)代低壓汽輪機(jī)設(shè)計(jì)的好壞，應(yīng)采用汽缸效率、標(biāo)準(zhǔn)化程度和投資成本的綜合指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估。譬如，僅僅用汽缸效率來(lái)衡量就不太合適，必須考慮低壓部分對(duì)整個(gè)汽輪機(jī)可靠性的影響，同時(shí)對(duì)可能增加的研發(fā)和制造成本與得到的效率增益進(jìn)行比較來(lái)評(píng)估。

低壓汽輪機(jī)設(shè)計(jì)中，經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)化問(wèn)題的解決總是不理想。雖然增加末級(jí)動(dòng)葉的長(zhǎng)度能夠提高汽輪機(jī)的功率和效率，但汽缸和轉(zhuǎn)子尺寸的增大，將對(duì)原材料采購(gòu)、加工、檢驗(yàn)、運(yùn)輸、安裝和產(chǎn)品安全性能都會(huì)產(chǎn)生重大影響，甚至使更大的低壓汽輪機(jī)開(kāi)發(fā)陷入瓶頸而無(wú)法突破。

1 低壓汽輪機(jī)設(shè)計(jì)

各大汽輪機(jī)制造廠都有標(biāo)準(zhǔn)的低壓汽輪機(jī)系列，由于發(fā)展新的低壓汽輪機(jī)成本很高，因此很早就采用了標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，這樣只要對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的低壓汽輪機(jī)作有限的調(diào)整就能滿足用戶的要求。實(shí)際上，標(biāo)準(zhǔn)的低壓汽輪機(jī)具有不變的轉(zhuǎn)子尺寸、不變的外缸和不變的末級(jí)葉片，通常只需要調(diào)整前若干級(jí)的葉片高度，使其與所需功率要求的流量相匹配。除了上述的設(shè)計(jì)，如果要開(kāi)發(fā)新的低壓汽輪機(jī)，需要考慮如下因素：

1.1 冷端優(yōu)化

冷端優(yōu)化是在給定的環(huán)境條件下，經(jīng)過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析，尋找其最優(yōu)解，即考慮低壓汽輪機(jī)、凝汽器、冷端低壓加熱器和循環(huán)冷卻水系統(tǒng)以及真空系統(tǒng)等所有和運(yùn)行費(fèi)用相關(guān)的參數(shù)，最終目標(biāo)是為了確定最佳凝汽器真空值和最佳循環(huán)水量。而對(duì)于低壓汽輪機(jī)來(lái)說(shuō)，也就確定了最佳的排汽背壓和總排汽面積。

1.2 末級(jí)動(dòng)葉片尺寸

在低壓缸數(shù)目給定時(shí)，最有利的排汽面積可根據(jù)功率曲線來(lái)選擇，并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的母型葉片來(lái)模化合適的動(dòng)葉片高度h和平均直徑Dm。另外，為了得到盡可能緊湊的設(shè)計(jì)，h/Dm一般選取0.33～0.37，再考慮到轉(zhuǎn)子鍛件的限制，該比值甚至增加到0.4左右，但較大的比值會(huì)增加氣動(dòng)設(shè)計(jì)的難度和葉片振動(dòng)的危險(xiǎn)性。

1.3 低壓進(jìn)汽口壓力

1）火電機(jī)組。大容量火電機(jī)組的低壓汽輪機(jī)分流數(shù)通常至少為中壓汽輪機(jī)分流數(shù)的2倍，這是由于進(jìn)入低壓汽輪機(jī)的比容急劇增大和末級(jí)動(dòng)葉片高度限制的緣故。透平級(jí)效率可以表示為容積流量系數(shù)k的函數(shù)（見(jiàn)圖1），k 定義如下：

式中：V為所研究級(jí)的容積流量；r為平均動(dòng)葉直徑；u為平均圓周速度。

按照常規(guī)設(shè)計(jì)，低壓進(jìn)汽平均直徑要大于中壓排汽平均直徑，而容積流量又是中壓的一半，因此低壓汽輪機(jī)進(jìn)口級(jí)的k值比中壓排汽級(jí)的要小。因此，降低低壓缸進(jìn)汽壓力對(duì)經(jīng)濟(jì)性比較有利，而且還能改善低壓內(nèi)缸的運(yùn)行環(huán)境?，F(xiàn)在某汽輪機(jī)制造商已經(jīng)將低壓進(jìn)汽壓力降至0.5MPa左右。

圖1 沖動(dòng)式和反動(dòng)式的級(jí)效率

2）核電機(jī)組。核電機(jī)組的低壓汽輪機(jī)與火電機(jī)組采用相同的分析方法。但是必須注意，核電機(jī)組的蒸汽參數(shù)比較低，其容積流量非常大，因此核電機(jī)組的低壓缸進(jìn)口壓力對(duì)總成本的影響很大。針對(duì)只有高壓和低壓汽輪機(jī)的核電機(jī)組，在其優(yōu)化設(shè)計(jì)中，應(yīng)考慮汽水分離再熱器（MSR）、MSR與低壓缸之間的管道、再熱閥門(mén)以及汽機(jī)房的成本。隨著低壓缸進(jìn)口壓力下降，并考慮取較低的流速而獲得較大的分離效率和較低的壓力損失，MSR的尺寸及其成本增加很大，汽機(jī)房要求空間也大，目前最佳的低壓進(jìn)口壓力在1.0～1.4MPa之間。

除了開(kāi)發(fā)高流速、尺寸更緊湊的MSR外，設(shè)置中壓汽輪機(jī)使低壓進(jìn)口壓力進(jìn)一步降低，即采用高、中壓?jiǎn)瘟髌啓C(jī)，可使機(jī)組效率進(jìn)一步提升，但高中壓汽輪機(jī)的設(shè)計(jì)和管道布置的難度非常大。

2 低壓汽輪機(jī)設(shè)計(jì)中的特殊問(wèn)題

除上述討論的對(duì)低壓汽輪機(jī)設(shè)計(jì)影響的若干因素外，還存在某些特殊的設(shè)計(jì)問(wèn)題。

2.1 機(jī)座型式

現(xiàn)在的機(jī)座型式主要有剛性機(jī)座和彈性機(jī)座兩種模式，所謂剛性機(jī)座就是運(yùn)轉(zhuǎn)層平臺(tái)與支撐柱是一體澆筑的；而彈性機(jī)座的運(yùn)轉(zhuǎn)層平臺(tái)與支撐柱是分開(kāi)的，并采用彈簧隔振器隔離。為了適應(yīng)不同的機(jī)座型式，低壓缸與凝汽器的連接方式、凝汽器的支撐方式、凝汽器通過(guò)低壓缸施加給機(jī)座的負(fù)荷都是需要注意的。各種現(xiàn)代的低壓缸與凝汽器的布置方式見(jiàn)表1。

表1 現(xiàn)代的低壓缸與凝汽器的各種布置方式

2.2 低壓進(jìn)汽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

低壓進(jìn)汽結(jié)構(gòu)一般需要考慮兩個(gè)問(wèn)題，一是進(jìn)汽位置的設(shè)計(jì)，另一個(gè)是進(jìn)汽殼的設(shè)計(jì)。

圖2

1）進(jìn)汽位置。對(duì)于大功率汽輪機(jī)，由于其經(jīng)常處于滿負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，因此電廠為了縮短檢修周期，越來(lái)越重視汽機(jī)檢修的簡(jiǎn)化。鑒于這種要求，低壓汽輪機(jī)的進(jìn)汽位置處于缸體下半就具有更多的吸引力，這種設(shè)計(jì)不需要拆除進(jìn)汽管道就可進(jìn)行低壓內(nèi)缸的檢修，見(jiàn)圖2（a）和 圖 2（b）。

2）進(jìn)汽殼。對(duì)于常規(guī)的進(jìn)汽方式，汽流發(fā)生截面突變和方向的改變，并存在部分汽流對(duì)撞，故進(jìn)入葉片的汽流是不均勻的。因此，這種進(jìn)汽殼會(huì)產(chǎn)生較高的流動(dòng)損失，只有流速較低時(shí)才能使其限制在允許的范圍內(nèi)。但采用較小的流速，就需要設(shè)計(jì)較大的進(jìn)汽殼尺寸，但低壓內(nèi)、外缸的設(shè)計(jì)就會(huì)變得困難。

現(xiàn)代的某些大型低壓汽輪機(jī)根據(jù)仿生學(xué)技術(shù)，設(shè)計(jì)了蝸殼進(jìn)汽結(jié)構(gòu)，這種蝸殼可以避免進(jìn)汽殼的流動(dòng)損失，使汽流平滑地流向葉片并允許較高的流速。在采用這種蝸殼設(shè)計(jì)時(shí)，必須要研究低壓進(jìn)汽的位置，見(jiàn)圖2（c）。

3 結(jié)論

開(kāi)發(fā)新的低壓汽輪機(jī)，應(yīng)按照經(jīng)濟(jì)最優(yōu)化的原則進(jìn)行分析。只有對(duì)汽輪機(jī)效率、機(jī)組安全性和所有研究的總成本進(jìn)行綜合性評(píng)估，才有可能獲得最佳的效果。另外，考慮到用戶對(duì)檢修周期和機(jī)座型式的需求，簡(jiǎn)化低壓缸安裝和拆卸程序，研究適應(yīng)性更強(qiáng)的低壓缸和凝汽器布置方式也是很重要的。