肖曉玲，井芳波，田朝陽

(東方汽輪機有限公司，四川 德陽，618000)

0 引言

隨著低碳經(jīng)濟的發(fā)展，對汽輪機經(jīng)濟性的要求越來越高，提高汽輪機效率可有效減少能耗、降低排放，實現(xiàn)社會可持續(xù)發(fā)展，通過優(yōu)化通流結(jié)構(gòu)，減少蒸汽流動過程中的損失是提高汽輪機通流效率的有效方法。汽輪機通流部分級間吸、漏狀況及吸漏量的大小對通流效率的影響很大[1-2]，沖動式汽輪機中為減小軸向推力，必須在葉輪上設(shè)置平衡孔，隔板汽封、平衡孔及徑向汽封三者之間漏氣量的平衡對通流部分效率的影響很大，合理的平衡孔面積取值有利于改善根部氣流流動，提高通流效率。

近年來，隨著數(shù)值模擬計算和氣動試驗的應(yīng)用發(fā)展，國內(nèi)外學(xué)者對平衡孔結(jié)構(gòu)的影響進行了很多數(shù)值分析和試驗研究。劉網(wǎng)扣等[3]針對沖動式汽輪機平衡孔面積對級性能的影響進行了數(shù)值分析，研究平衡孔面積變化對透平級效率及氣動性能的影響，并提出了沖動級平衡孔設(shè)計的一些原則。Change LUO等[4]采用三維數(shù)值計算方法對帶平衡孔結(jié)構(gòu)的透平級流動特性進行研究，深入分析平衡孔、汽封等泄露流對主流的影響。

本文以東方汽輪機有限公司某1 000 MW機組高壓末三級為研究對象，進行了一系列的試驗研究。

1 多級空氣透平試驗臺

試驗在東方汽輪機有限公司多級空氣透平試驗臺上進行，試驗臺系統(tǒng)圖如圖1所示[5]，平臺布置圖如圖2所示，試驗臺包括風(fēng)源系統(tǒng)、管路系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、測量控制系統(tǒng)、水系統(tǒng)和試驗本體。試驗臺為吹入式結(jié)構(gòu)，由兩臺2 500 kW離心式鼓風(fēng)機為試驗提供穩(wěn)定的壓縮空氣風(fēng)源，最大進氣量達(dá)1 800 Nm3/min，最大試驗壓比為2.5。

圖1 試驗臺系統(tǒng)原理圖

圖2 試驗透平結(jié)構(gòu)示意圖及平面布置圖

進氣體積流量由短式文丘里管測量，并通過溫度、壓力補償?shù)玫劫|(zhì)量流量，采用專用風(fēng)洞設(shè)備對文丘里管測量結(jié)果進行修正，使其精度達(dá)到0.5%。輸出功的大小是試驗最關(guān)鍵的參數(shù)之一，采用水力測功器測量并消耗透平級發(fā)出的功率，同時在水力測功器和試驗轉(zhuǎn)子之間安裝高精度扭矩傳感器，精確測量輸出功。試驗的目的是得到透平級的輪周功，要求在透平輸出功上加上轉(zhuǎn)子摩擦、鼓風(fēng)耗功和軸承耗功，采用電機拖動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，在特定轉(zhuǎn)子重量、軸承溫度的條件下測量空轉(zhuǎn)功率與轉(zhuǎn)速、推力的關(guān)系曲線，修正輸出功結(jié)果。

進、出口壓力和溫度用于計算透平級等熵焓降，級間根、頂部壁面靜壓用于計算反動度、流量系數(shù)、軸向推力等氣動性能。所有壓力均采用高精度壓力掃描閥測量，精度為0.05%FS，溫度采用A級pt100精確測量。

2 試驗方案

圖3為模擬透平級的通流簡圖，為方便進行不同平衡孔面積的方案，在轉(zhuǎn)子上加工M75的內(nèi)螺紋，另外加工帶有不同平衡孔孔徑的平衡螺塞（帶外螺紋M75），試驗時只需將上半隔板拆開即可更換平衡螺塞 （見圖4），轉(zhuǎn)子、下半隔板等均不變以保證其他結(jié)構(gòu)參數(shù)完全一致 （見表1）。

圖3 通流部分簡圖

圖4 平衡螺塞及試驗轉(zhuǎn)子

表1 試驗參數(shù)

3 計算模型

為了詳細(xì)分析平衡孔面積變化對效率影響的機理，建立簡化的單級數(shù)值模型分析，計算模型如圖5所示，模型中，隔板汽封間隙及徑向汽封間隙與實物一致。

圖5 計算模型示意圖

根據(jù)試驗工況給定入口總溫、總壓，出口位置選取兩個，一是主流出口，給定平均靜壓，二是葉輪腔室出口，給定出口流量（流量為上游隔板汽封流量）。將葉輪腔室出口流量給定為上游隔板汽封流量是該簡化模型的關(guān)鍵，首先從多級流動來看，前后兩級的隔板汽封泄漏量應(yīng)該基本相同（汽封間隙相同時），另外，如果平衡孔抽吸能力很大，導(dǎo)致平衡孔流量大于上游隔板汽封流量時，在出口1處會有氣流從平衡孔內(nèi)流出并灌入主流的情況出現(xiàn)，這樣的簡化模型可以基本模擬出多級透平的流動情況。

4 結(jié)果及分析

4.1 無平衡孔對級性能的影響

用密封膠將平衡孔全部密封進行無平衡孔下的性能測試，圖6為無平衡孔和設(shè)計平衡孔的效率隨速比的變化曲線，圖7為中間級根部反動度隨速比的變化曲線。由圖可知，平衡孔面積為0時，與設(shè)計平衡孔面積的性能相比，級效率降低0.7%～0.9%，設(shè)計速比下的根部反動度增加約30%。由于沒有平衡孔，隔板汽封漏氣只能通過徑向汽封混入主流，會對動葉根部的氣流流動造成較大影響，小速比下根部反動度較低，隔板汽封漏氣量增大，對主流的影響程度會更大一些，因此小速比時效率降低得略多一些。

圖6 效率隨速比的變化曲線圖

圖7 根部反動度隨速比的變化曲線

4.2 平衡孔面積對級性能的影響

圖8、圖9分別為設(shè)計速比下級效率和第二級反動度隨平衡孔孔徑的變化曲線，隨著平衡孔面積的增大，級效率先增后降，相對面積為1～1.5時級效率達(dá)到最大值，與平衡面積為0時相比級效率增加約0.8%，之后級效率隨平衡面積的增加開始降低，降低幅度不是很大。平衡孔面積增大，反動度降低但幅度相對較緩，平衡孔、隔板汽封及徑向汽封的流量變化不大，因此級效率減低的幅度會有所降低。當(dāng)平衡面積小于最佳值范圍，平衡孔的通流能力降低，隔板汽封的漏氣會通過徑向汽封混入主流，即出現(xiàn)級間抽氣，級效率下降明顯，因此級間抽氣的影響要更大一些。

圖8 效率隨平衡孔面積的變化曲線

圖9 第二級根部反動度隨平衡孔面積的變化

通過分析CFD計算的流場細(xì)節(jié)來分析平衡孔對流動造成的影響，圖10為葉輪腔室中的流量代號示意圖，其中，M1為隔板汽封漏氣流量，M2為平衡孔流量，M3為從主流抽入葉輪腔室中的流量。流量為正時的方向為圖中的示意方向，為負(fù)時則為對應(yīng)的反方向。

圖10 葉輪腔室中的流量代號示意

經(jīng)典理論中提到，當(dāng)平衡孔的通流能力略大于上游隔板漏氣流量，對主流有微弱抽吸時，可以降低下游動葉根部的二次流損失，因而效率較高，而當(dāng)抽吸流量較大時，一方面減小了動葉中做功的有效氣流流量，同時，平衡孔下游也會有氣流重新灌入主流，對下級靜葉根部流動產(chǎn)生干擾，因而會降低級效率。

圖11為平衡孔面積變化時，動葉上下游處的熵增分布云圖，從圖中可以看出：

圖11 平衡孔面積變化時，動葉上下游處的熵增分布云圖

（1）當(dāng)沒有平衡孔，或平衡孔面積較小時，動葉下游出現(xiàn)明顯較強且范圍較大的二次流區(qū)域；

（2）當(dāng)平衡孔面積大于1時，進一步增大平衡孔面積已經(jīng)對動葉根部二次流動不再有明顯改善。

平衡孔的微弱抽吸可以改善動葉根部二次流動損失，提高級效率，較強的抽吸對動葉根部二次流動已無明顯改善作用。

圖12 各位置處流量隨平衡孔面積變化情況

圖13 葉輪腔室的流線圖和壓力分布圖

圖12為M1、M2和M3（相對主流）隨平衡孔面積的變化情況，隔板汽封泄露流量基本保持不變，平衡孔流量隨平衡孔面積增大而逐漸增大，但增大幅度逐漸變緩，因此平衡孔較大時對級效率的影響較小。從圖13中可以看出：（1）隨著平衡孔面積增大，平衡孔兩側(cè)壓差逐漸減小，導(dǎo)致平衡孔流量增大程度有所減緩；（2）平衡孔出口處的流量和流速都較大時，會在出口處沖擊到壁面上形成漩渦，具有一定的阻塞作用；（3）平衡孔面積變化時，接近主流區(qū)域的葉輪腔室壓力變化很小，因此對級根部反動度影響較小。

4.3 隔板汽封間隙變化的影響

將隔板汽封間隙調(diào)整為1 mm，相對平衡孔面積分別為1.56和4，汽封間隙調(diào)整前后級效率的變化如圖14所示，將隔板汽封由0.6 mm調(diào)整至1 mm，平衡孔面積為1.56時，級效率下降約0.3%～0.4%，當(dāng)平衡孔面積為4時，級效率下降僅為0%～0.15%。平衡孔較小時，隔板汽封間隙增大，漏氣量增加，該部分氣流無法完全從平衡孔流出而擾動根部主流，對級性能影響較大，因此較大的平衡孔面積有利于減小隔板汽封漏氣對級效率的影響。由于機組初啟動時振動較大等因素可能會導(dǎo)致汽封間隙增加，適當(dāng)?shù)脑龃笃胶饪卓讖接欣跍p小這部分的影響。

圖14 不同隔板汽封間隙、不同平衡面積效率隨速比變化曲線

5 結(jié)論

本文通過平衡孔面積變化對級性能影響的研究可得到以下結(jié)論：

（1）隔板汽封、徑向汽封及平衡孔之間的氣流流動對級效率的影響較大，隨著平衡孔面積的增加，級效率先是有所增加，然后開始緩慢降低，存在最佳平衡孔面積使得級間流動損失最小，級效率達(dá)到最高；

（2）級間抽氣對級效率的影響比漏氣的影響更大，微弱的抽吸最佳；

（3）適當(dāng)增加平衡孔漏氣面積有利于減小由于機組振動等原因造成隔板汽封間隙增加的影響。