劉鈺林

摘 要：噴嘴配氣調(diào)節(jié)級(jí)具有大焓降和低反動(dòng)度的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用于大功率沖動(dòng)式汽輪機(jī)高壓缸中。本篇文章首先介紹了大功率汽輪機(jī)噴嘴配汽調(diào)節(jié)級(jí)氣動(dòng)性能的目前發(fā)展情況，以及氣流激振方面的研究進(jìn)展。其次，文章分析并研究了1000MW和300MW汽輪機(jī)，并且在研究300MW汽輪機(jī)時(shí)，基于反流初始設(shè)計(jì)噴嘴配汽調(diào)節(jié)級(jí)氣動(dòng)性能分析，提出了順流結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方案。并且，在反流初始設(shè)計(jì)方案中噴嘴配汽調(diào)節(jié)級(jí)氣動(dòng)性能和順流優(yōu)化方案中噴嘴配汽調(diào)節(jié)級(jí)氣動(dòng)性能兩者之間，通過分析比較在設(shè)計(jì)工況和變工況下的氣動(dòng)性能，得出了順流結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、應(yīng)用型強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。文章的最后，對(duì)大功率汽輪機(jī)噴嘴配汽調(diào)節(jié)級(jí)氣動(dòng)性能和氣流激振的發(fā)展前景進(jìn)行了詳細(xì)的描述。

關(guān)鍵詞：汽輪機(jī)；噴嘴配汽調(diào)節(jié)級(jí)；氣動(dòng)性能；優(yōu)化設(shè)計(jì)

在經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的現(xiàn)代社會(huì)，大功率沖動(dòng)式汽輪機(jī)的優(yōu)化研究受到全國(guó)各地的青睞。大功率汽輪機(jī)的高壓進(jìn)汽結(jié)構(gòu)以及低壓排汽結(jié)構(gòu)的氣動(dòng)性能優(yōu)化能明顯提高機(jī)組的氣動(dòng)效率，經(jīng)濟(jì)上可觀，操作上可行；但于高壓進(jìn)汽結(jié)構(gòu)而言，它的運(yùn)行方式和結(jié)構(gòu)會(huì)造成進(jìn)汽和流動(dòng)具有非對(duì)稱性和非周期性特點(diǎn)的結(jié)果，降低了高壓進(jìn)汽的運(yùn)行效率；因此，如何改進(jìn)高壓進(jìn)汽結(jié)構(gòu)，才能使得機(jī)組的運(yùn)行更簡(jiǎn)單更高效，就依賴于對(duì)高壓進(jìn)汽結(jié)構(gòu)三維流場(chǎng)特性的精確掌握和合理運(yùn)用。

噴嘴配汽是指汽機(jī)通過改變調(diào)節(jié)汽門的開度和開啟數(shù)目來(lái)改變進(jìn)汽量的方式，汽輪機(jī)噴嘴配汽調(diào)節(jié)級(jí)一般具有4個(gè)或6個(gè)調(diào)節(jié)閥，每個(gè)調(diào)劑閥控制一組噴嘴組進(jìn)汽，噴嘴配汽在部分負(fù)荷時(shí)，汽機(jī)通過改變調(diào)節(jié)汽門的開度和閥的開啟數(shù)目來(lái)改變進(jìn)汽量的方式，而此時(shí)，只有未全開的調(diào)節(jié)汽門中蒸汽節(jié)流較大，而其余全開汽門中的蒸汽節(jié)流已減小到最低，所以定壓運(yùn)行時(shí)的噴嘴配汽與節(jié)流配汽相比，節(jié)流損失較少，效率較高，但負(fù)荷變動(dòng)調(diào)節(jié)級(jí)汽室溫度變化大，熱應(yīng)力熱變形大，負(fù)荷適應(yīng)性差。汽門中蒸汽節(jié)流較大，而其余全開汽門中的蒸汽節(jié)流已減小到最低，故定壓運(yùn)行時(shí)的噴嘴配汽與節(jié)流配汽相比，節(jié)流損失較少，效率較高，但負(fù)荷變動(dòng)調(diào)節(jié)級(jí)汽室溫度變化大，熱應(yīng)力熱變形大，負(fù)荷適應(yīng)性差。

大功率汽輪機(jī)噴嘴配汽調(diào)節(jié)級(jí)機(jī)組一般情況下具有3種運(yùn)行方式：順序閥定壓運(yùn)行，單閥節(jié)流運(yùn)行，滑壓運(yùn)行。不同的運(yùn)行方式在不同的工況下具有各自的優(yōu)勢(shì)：順序閥是指各個(gè)調(diào)節(jié)汽門逐次開啟。在機(jī)組啟動(dòng)時(shí)，通常采用單閥，其優(yōu)勢(shì)在于可以使噴嘴組全周進(jìn)汽，有利于機(jī)組金屬部件均勻加熱，減少因受熱不均勻?qū)е聶C(jī)組的損壞；機(jī)組并網(wǎng)后，采用順序閥，可以讓多個(gè)調(diào)節(jié)汽門中只有一個(gè)閥門處于節(jié)流狀態(tài)，有利于減小節(jié)流損失，提高機(jī)組的熱效率。而滑壓運(yùn)行方式中，調(diào)節(jié)閥的開度保持不變，通過改變鍋爐主蒸汽的壓力進(jìn)而調(diào)節(jié)機(jī)組負(fù)荷，機(jī)組可以在閥門開啟數(shù)量不同的情況下進(jìn)行滑壓，但是有一定安全性的限制。典型滑壓運(yùn)行模式為4閥，3閥和2閥。

（一）汽輪機(jī)噴嘴配汽調(diào)節(jié)級(jí)的目前情況

早期的汽輪機(jī)級(jí)數(shù)少，也沒有調(diào)節(jié)級(jí)的概念。從最早的反動(dòng)式汽輪機(jī)到單級(jí)沖動(dòng)式汽輪機(jī)，再到多級(jí)反動(dòng)式汽輪機(jī)，在當(dāng)時(shí)的功率和效率上都是領(lǐng)先地位的存在。發(fā)展到現(xiàn)在，大多數(shù)汽輪機(jī)都有調(diào)節(jié)進(jìn)汽方式以達(dá)到調(diào)節(jié)負(fù)荷狀況使機(jī)組運(yùn)行既符合經(jīng)濟(jì)性又能提高效率的調(diào)節(jié)級(jí)存在，但少數(shù)節(jié)流配汽的汽輪機(jī)除外（帶基本符合）。隨著時(shí)代的發(fā)展，生產(chǎn)力發(fā)展的需求和國(guó)家節(jié)能環(huán)保系列政策的不斷提出，汽輪機(jī)技術(shù)水平的不斷攀升，人們對(duì)汽輪機(jī)各參數(shù)的要求在提高，噴嘴配汽調(diào)節(jié)級(jí)的優(yōu)化方案也不斷被提出，高參數(shù)、大容量、高效率、高經(jīng)濟(jì)逐漸成為汽輪機(jī)優(yōu)化的主流方向。

對(duì)于噴嘴配汽調(diào)節(jié)的機(jī)組而言，調(diào)節(jié)級(jí)葉片的優(yōu)化設(shè)計(jì)極大影響了汽輪機(jī)參數(shù)和容量的“升級(jí)”，比如說(shuō)：當(dāng)單流調(diào)節(jié)級(jí)提供不了機(jī)組功率等級(jí)增大所需求的條件時(shí)，雙流調(diào)節(jié)級(jí)就產(chǎn)生了。雖然雙流調(diào)節(jié)級(jí)流動(dòng)問題明顯要比單流調(diào)節(jié)級(jí)復(fù)雜，但卻降低了單溜調(diào)節(jié)級(jí)大功率的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。雙流調(diào)節(jié)級(jí)各方面性能都有提高，非周期性明顯，非均勻性增強(qiáng)，流動(dòng)呈現(xiàn)極強(qiáng)的三維特性；但由于流動(dòng)問題復(fù)雜，雙流調(diào)節(jié)級(jí)效率低下。對(duì)于超超臨界1000MW汽輪機(jī)來(lái)說(shuō)，效率的高低極大程度上影響了它的經(jīng)濟(jì)性。

對(duì)噴嘴配汽調(diào)節(jié)級(jí)運(yùn)行方式對(duì)機(jī)組經(jīng)濟(jì)性影響上來(lái)分析，有學(xué)者在600MW汽輪機(jī)順序閥的開啟方式上做了研究，在調(diào)節(jié)級(jí)熱力計(jì)算和有限元強(qiáng)度校核的基礎(chǔ)上啟用對(duì)角方式開啟順序閥的方法，并對(duì)重疊度進(jìn)行優(yōu)化，此種改進(jìn)極大提高了機(jī)組的運(yùn)行效率，同時(shí)也保證了機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性，其表現(xiàn)在于，機(jī)組的上下缸溫，軸振等各項(xiàng)指標(biāo)狀況良好。經(jīng)過汽輪機(jī)研究工作者們的不謝努力，綜合進(jìn)汽壓損和調(diào)節(jié)級(jí)內(nèi)效率以及考慮機(jī)組運(yùn)行效率和經(jīng)濟(jì)效益等因素，總結(jié)出調(diào)節(jié)級(jí)總效率的排序方式為：4閥，3閥，2閥滑壓，順序閥和單閥。

（二）噴嘴配汽調(diào)節(jié)級(jí)氣動(dòng)性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)

本節(jié)在研究1000MW汽輪機(jī)時(shí)，將采用CFX軟件進(jìn)行數(shù)值分析，此軟件采用FVM求解三維粘性可壓縮非定常雷諾時(shí)均方程組，為了計(jì)算結(jié)果的精確性，微分方程的離散選取高精度二階格式。由于動(dòng)靜界面參數(shù)的不均勻，動(dòng)靜葉之間采用了凍結(jié)轉(zhuǎn)子法，解決了計(jì)算機(jī)組參數(shù)時(shí)常規(guī)分析方法造成的參混損失以及氣動(dòng)參數(shù)的不準(zhǔn)確性。在這個(gè)研究中，既要考慮選取方法的可實(shí)用性，還要結(jié)合機(jī)組本身會(huì)出現(xiàn)的如雙流、單流調(diào)節(jié)級(jí)，調(diào)節(jié)閥開啟個(gè)數(shù)等情況造成的影響。

研究300MW汽輪機(jī)噴嘴配汽調(diào)節(jié)級(jí)時(shí)，本節(jié)采用全三維數(shù)值方法開展優(yōu)化設(shè)計(jì)工作，主要目的在于降低制造成本，提高機(jī)組在設(shè)計(jì)工況和變工況情況下的氣動(dòng)性能；分析比較前文提及的反流設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和順流優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的高壓進(jìn)汽噴嘴配汽調(diào)節(jié)級(jí)的氣動(dòng)性能，輔以數(shù)據(jù)驗(yàn)證。在反流汽輪機(jī)噴嘴配汽調(diào)節(jié)級(jí)的計(jì)算區(qū)域三維結(jié)構(gòu)中，含126只靜葉，102只動(dòng)葉，6個(gè)閥門腔室以及套筒結(jié)構(gòu)，閥門腔室和套筒計(jì)算區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，葉柵組則采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，反流結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中每個(gè)噴嘴間都缺一個(gè)葉柵，葉柵分為動(dòng)葉柵和靜葉柵，是汽輪機(jī)最基本的工作單元。通俗地說(shuō)，一個(gè)葉柵類似于一個(gè)蒸汽通道，使機(jī)組更平穩(wěn)地運(yùn)轉(zhuǎn)。接下來(lái)分析順流優(yōu)化結(jié)構(gòu)，順流優(yōu)化結(jié)構(gòu)分為126只靜葉，102只動(dòng)葉，6個(gè)閥門腔室及動(dòng)葉出口延伸段，腔室出口延伸段計(jì)算區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，葉柵組的線型與反流初始結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相同。隨著機(jī)組的運(yùn)轉(zhuǎn)，閥門開度的減小，順流結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)逐漸展現(xiàn)，順流結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的余速越來(lái)越大于反流結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的余速，造成余速損失，因此，在實(shí)驗(yàn)中不得不做進(jìn)一步的改進(jìn)，將原型角落光滑化，管道、腔室連接處光滑化，改變腔室彎轉(zhuǎn)半徑。在不同閥門開啟的工況下，提高了順流結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的氣動(dòng)效率，減少相應(yīng)損失，實(shí)在地保證了機(jī)組運(yùn)行的高效性和經(jīng)濟(jì)性。

結(jié) 語(yǔ)

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，三維造型技術(shù)不斷成熟，計(jì)算機(jī)力學(xué)的普及以及數(shù)值分析軟件的大規(guī)模開發(fā)，大功率汽輪機(jī)的調(diào)節(jié)級(jí)氣動(dòng)性能也在不斷改進(jìn)，為了滿足現(xiàn)階段社會(huì)工業(yè)對(duì)汽輪機(jī)功能的要求，從環(huán)保的角度出發(fā)，不斷對(duì)汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級(jí)氣動(dòng)性能以及氣流激振進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，努力實(shí)現(xiàn)高效率、高經(jīng)濟(jì)、高環(huán)保，使機(jī)組經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)單，安全可靠，平穩(wěn)運(yùn)行。本文的優(yōu)化達(dá)到預(yù)期效果，在汽輪機(jī)葉片腔室等結(jié)構(gòu)上進(jìn)行的改造對(duì)汽輪機(jī)以后的優(yōu)化改造也具有一定的參考意義。

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