蒲守武， 范志飛， 杜小琴， 周顯丁， 尹明艷， 李音， 茍小平， 梁文杰， 李昊

（東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司， 四川德陽， 618000）

0 前言

隨著我國(guó)提出 “碳達(dá)峰， 碳中和” 目標(biāo)， 新能源裝機(jī)比例迅速提升， 同時(shí)電力消費(fèi)增長(zhǎng)減速，電力供需形勢(shì)由偏緊轉(zhuǎn)為寬松、 部分地區(qū)過剩，電網(wǎng)負(fù)荷的峰谷差變大。 新能源快速發(fā)展， 煤電設(shè)備利用小時(shí)逐年降低， 燃煤機(jī)組發(fā)電負(fù)荷率普遍偏低， 燃煤機(jī)組發(fā)電負(fù)荷率在40%～80%占比達(dá)55%， 煤電機(jī)組的總體功能由電力、 電量的主體作用向基荷、 調(diào)峰功能轉(zhuǎn)變。 由于已有末級(jí)動(dòng)葉片的設(shè)計(jì)點(diǎn)均為THA 工況， 40%～80%負(fù)荷效率較低， 在低負(fù)荷區(qū)機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性顯著降低， 在深度調(diào)峰運(yùn)行時(shí)存在安全風(fēng)險(xiǎn)。 因此， 決定全新開發(fā)適用于寬負(fù)荷運(yùn)行的新型高效909 mm 末級(jí)動(dòng)葉片。

1 末級(jí)葉片開發(fā)流程

低壓長(zhǎng)葉片模塊由蒸汽參數(shù)、 背壓范圍和功率等級(jí)確定。 基于600 MW、 660 MW 等級(jí)濕冷機(jī)組新建和改造需求， 確定了新型高效909 mm 末級(jí)動(dòng)葉片設(shè)計(jì)額定背壓及適用背壓范圍， 可主要應(yīng)用于火力發(fā)電超超臨界、 超臨界、 亞臨界， 中間再熱600 MW、 350 MW 等級(jí)汽輪機(jī)機(jī)組和全轉(zhuǎn)速核電汽輪機(jī)組， 排氣面積為7.5 m2。 長(zhǎng)葉片開發(fā)流程如圖1 所示。

圖1 長(zhǎng)葉片開發(fā)流程

2 氣動(dòng)設(shè)計(jì)

現(xiàn)階段火力發(fā)電汽輪機(jī)機(jī)組在實(shí)際運(yùn)行過程中， 在非額定設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行占比較大， 除了需要保證機(jī)組在THA 工況高效運(yùn)行外， 還要保證部分負(fù)荷的效率處于較佳運(yùn)行工況內(nèi)。 采用了經(jīng)過實(shí)際運(yùn)行業(yè)績(jī)驗(yàn)證的大型商業(yè)軟件NUMECA、CFX 軟件分析末級(jí)葉片的相關(guān)特征參數(shù)對(duì)末級(jí)葉片的性能影響， 如速比、 反動(dòng)度、 排汽角等， 詳細(xì)設(shè)計(jì)對(duì)變工況性能影響較明顯的參數(shù)， 全新研發(fā)了新型高效909 mm 末級(jí)靜動(dòng)葉葉型。

經(jīng)過比選， 末級(jí)速比采用0.43。 靜動(dòng)葉葉型對(duì)入口角度的適應(yīng)性非常強(qiáng)， 特別是50%葉高截面攻角在-30°～+30°損失變化非常小， 如圖2 所示。 末級(jí)反動(dòng)度沿葉高分布如圖3 所示， 根部采用大反動(dòng)度設(shè)計(jì)， 頂部反動(dòng)度相對(duì)較小， 整體分布趨勢(shì)平緩， 不僅有利于減小根頂部的汽封漏汽損失， 還可使馬赫數(shù)分布趨勢(shì)更加平緩， 如圖4所示， 通道內(nèi)最大馬赫數(shù)減小， 有利于減小靜動(dòng)葉片的損失。

圖2 末級(jí)靜動(dòng)葉50%截面能量損失系數(shù)與攻角關(guān)系

圖3 反動(dòng)度沿葉高分布

圖4 不同葉高位置馬赫數(shù)分布

圖5 為末級(jí)總靜效率隨背壓的變化曲線， 末級(jí)總靜效率設(shè)計(jì)點(diǎn)位于最高點(diǎn)左側(cè)， 當(dāng)高背壓升高時(shí)， 效率并未遠(yuǎn)離最佳運(yùn)行區(qū)域， 因此設(shè)計(jì)點(diǎn)偏離最佳位置的設(shè)計(jì)方法有利于提高低壓模塊變工況的性能。 另外， 從余速損失隨環(huán)形速度的變化曲線可以看出， 設(shè)計(jì)點(diǎn)位于最低值右側(cè)， 當(dāng)?shù)拓?fù)荷， 或者高背壓時(shí)， 容積流量減小， 環(huán)形速度降低， 效率仍位于最佳設(shè)計(jì)區(qū)間內(nèi)， 因此， 將環(huán)形速度設(shè)計(jì)點(diǎn)偏離最佳位置的設(shè)計(jì)有利于提高低壓模塊變工況的性能， 如圖6 所示。 基于909 mm末級(jí)葉片優(yōu)異的寬負(fù)荷適應(yīng)能力， 保障了該末級(jí)葉片在較寬負(fù)荷范圍內(nèi)均能高效運(yùn)行， 由圖7 可以看出， 該葉片在40%～100%負(fù)荷效率均高于95%， 且變化很小， 可大幅提高火電機(jī)組綜合經(jīng)濟(jì)性。

圖5 總靜效率隨背壓的變化曲線

圖6 余速損失隨環(huán)形速度的變化曲線

圖7 909 末級(jí)葉片總總效率隨負(fù)荷率的變化

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

909 mm 末級(jí)動(dòng)葉片結(jié)構(gòu)采用了樅樹型葉根，自帶整體凸臺(tái)拉筋和圍帶， 扭轉(zhuǎn)恢復(fù)成圈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 在安裝狀態(tài)， 相鄰葉片拉筋和圍帶之間均按間隙設(shè)計(jì)， 如圖8 所示， 工作轉(zhuǎn)速在離心作用下，相鄰葉片的拉筋和圍帶結(jié)構(gòu)相互擠壓鎖緊， 使得該末級(jí)葉片具有高可靠性的成圈特性， 可大幅提高末級(jí)葉片結(jié)構(gòu)阻尼、 降低末級(jí)葉片振動(dòng)響應(yīng)、減小葉片的動(dòng)力作用， 從而提高末級(jí)葉片的運(yùn)行安全性。 另外， 通過調(diào)整圍帶厚度， 可將該葉片各危險(xiǎn)節(jié)徑共振轉(zhuǎn)速調(diào)整至安全區(qū)間， 因此該葉片具有極好的調(diào)頻性能。

圖8 拉筋和圍帶安裝狀態(tài)

末葉材料選用17-4PH， 屬于馬氏體沉淀硬化不銹鋼， 該鋼是在常規(guī)馬氏體不銹鋼加入鉬、 鎢、鈦、 鈮、 銅等強(qiáng)化元素， 并降低了碳含量。 這些元素在固溶過程中溶入奧氏體基體， 在馬氏體基體上重新析出與基體共格的碳化物 （如ε-Cu、NbN、 M23C6）， 產(chǎn)生沉淀硬化， 從而提高了鋼的力學(xué)性能。 使得該材料具有強(qiáng)度高、 塑韌性好、 耐腐蝕性好、 抗水滴沖蝕性能好， 更適合在過渡區(qū)和濕蒸汽區(qū)使用。

4 強(qiáng)度振動(dòng)性能

該葉根、 輪槽具有載荷分布均勻， 應(yīng)力集中系數(shù)小的特點(diǎn)。 葉根和輪槽危險(xiǎn)截面拉應(yīng)力遠(yuǎn)低于最高溫度運(yùn)行工況對(duì)應(yīng)材料的許用值， 如圖9所示。

圖9 葉根、 輪槽危險(xiǎn)截面拉應(yīng)力

基于ABAQUS 采用循環(huán)對(duì)稱模型， 對(duì)整圈末級(jí)葉片進(jìn)行非線性接觸有限元分析。 得到葉片的應(yīng)力分布， 如圖10 所示， 葉片應(yīng)力較高的區(qū)域?yàn)槔钕虏康箞A、 葉型根部進(jìn)汽側(cè)背弧倒圓和葉根倒圓處。

圖10 葉片應(yīng)力云圖 （3 000 r/min）

隨著轉(zhuǎn)速的升高， 葉身在離心力作用下扭轉(zhuǎn)，相鄰葉片的圍帶和拉筋相繼接觸， 拉筋和圍帶的接觸力隨著轉(zhuǎn)速的繼續(xù)升高逐漸達(dá)到足夠鎖緊狀態(tài)， 如圖11 所示， 使得葉片彼此連接形成為整圈聯(lián)接結(jié)構(gòu)， 此時(shí)葉片具有更高的阻尼特性和剛性，從而大幅降低葉片的振動(dòng)響應(yīng)，提高葉片的安全性。

圖11 葉片拉筋（左）和圍帶（右）工作面接觸應(yīng)力（3 000 r/min）

基于離心力載荷的應(yīng)力剛化效應(yīng)， 進(jìn)行了整圈振動(dòng)特性分析， 如圖12 所示， 該末級(jí)動(dòng)葉片危險(xiǎn)節(jié)徑為3、 4、 7、 8 節(jié)徑， 經(jīng)精心設(shè)計(jì)， 這些危險(xiǎn)節(jié)徑的共振轉(zhuǎn)速均能避開2 820～3 090 r/min，并且具有較大避開區(qū)間， 確保了葉片的安全性。

圖12 909 mm 末級(jí)動(dòng)葉片頻率安全圖

5 實(shí)物葉片動(dòng)頻試驗(yàn)和超速試驗(yàn)

為確保葉片的安全性， 對(duì)低壓轉(zhuǎn)子和末級(jí)葉片進(jìn)行實(shí)物葉片動(dòng)頻試驗(yàn)和超速試驗(yàn)。 試驗(yàn)采用近程無線電遙測(cè)法， 裝有整級(jí)葉片的產(chǎn)品轉(zhuǎn)子被電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)。 試驗(yàn)時(shí)采用一只噴嘴通入壓縮空氣激振葉片， 葉片受擾產(chǎn)生振動(dòng)， 由貼于葉身上的感應(yīng)元件拾振， 振動(dòng)信號(hào)經(jīng)遙測(cè)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)傳輸?shù)接涗泝x和動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀系統(tǒng)。 采用LMS SCM202 信號(hào)調(diào)理組件和Test.Lab 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄、 分析和處理， 依據(jù)在激振試驗(yàn)中測(cè)得的葉片振動(dòng)數(shù)據(jù)確認(rèn)整圈葉片的 “三重點(diǎn)” 共振頻率及共振轉(zhuǎn)速。 通過實(shí)物試驗(yàn)和調(diào)頻， 該末級(jí)動(dòng)葉片在2 820～3 090 r/min 無 “三重點(diǎn)” 共振， 如圖13 所示。 通過超速試驗(yàn)驗(yàn)證了該末級(jí)葉片結(jié)構(gòu)具有良好的安全可靠性。

圖13 909 mm 末級(jí)動(dòng)葉片實(shí)測(cè)坎貝爾圖

6 結(jié)論

開發(fā)的新型高效909 mm 末級(jí)動(dòng)葉片是適用于寬負(fù)荷運(yùn)行， 高效、 可靠性高的大型汽輪機(jī)末級(jí)葉片， 具有在較寬負(fù)荷范圍內(nèi)氣動(dòng)性能均較高，結(jié)構(gòu)可靠性好和振動(dòng)特性優(yōu)的特點(diǎn)。 滿足火力發(fā)電機(jī)組作為基荷電源寬負(fù)荷運(yùn)行的需求， 提高了機(jī)組在低負(fù)荷工況的燃煤經(jīng)濟(jì)性， 降低了碳排放，助力我國(guó)實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、 碳中和” 的宏偉目標(biāo)。