大功率汽輪機(jī)低壓缸的改進(jìn)方案

周珩磊

（哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150046）

1 引言

通過對(duì)動(dòng)力汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)的分析可以得出結(jié)論：汽流在汽輪機(jī)通流部分中的軸向流動(dòng)和它在汽缸進(jìn)出口處的徑向流動(dòng)之間存在著矛盾。這就導(dǎo)致汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)和制造工藝的復(fù)雜化。此外，可靠性降低，并在進(jìn)汽管、分流器及汽缸通流部分前幾個(gè)軸流級(jí)中出現(xiàn)附加的能量損失。出現(xiàn)這些損失的原因是：（1）由供汽管通過有限的徑向空間進(jìn)入軸流級(jí)的汽流在軸向和徑向不均勻，這種不均勻汽流嚴(yán)重影響到低壓的通流部分，對(duì)隨后幾級(jí)葉片的效率產(chǎn)生不利的影響；（2）核電汽輪機(jī)低壓缸中在個(gè)別工況下由轉(zhuǎn)子熱膨脹引起的軸向間隙變化可達(dá)到40mm 甚至更大，從而導(dǎo)致通流部分設(shè)計(jì)流型的重大變化及其組成元件性能的改變；（3）前幾個(gè)軸向級(jí)隔板汽封有漏汽，以及在分流器后方第一個(gè)和隨后幾個(gè)軸流級(jí)工作汽道中近根區(qū)的汽流結(jié)構(gòu)變形，從而降低了其效率。

這些現(xiàn)象在很大程度上使占整個(gè)火電汽輪機(jī)出力30%～35%或占整個(gè)核電汽輪機(jī)出力65%的低壓缸成為整個(gè)汽輪機(jī)級(jí)中效率最差的部分。

2 結(jié)構(gòu)方案對(duì)比

在汽輪機(jī)低壓缸通流部分結(jié)構(gòu)中按已知技術(shù)應(yīng)用了切向進(jìn)汽和由徑向?qū)~和軸向葉輪組成的級(jí)。根據(jù)研究結(jié)果，在大功率汽輪機(jī)低壓缸中采用這種級(jí)的同時(shí)，還附加采取了一些改進(jìn)進(jìn)汽段的措施，從而使低壓缸效率提高了2%～3%。

這種結(jié)構(gòu)提高經(jīng)濟(jì)性的原因如下：

在按一定規(guī)律成型的汽道中汽流狀況較好，能量損失最小；旋轉(zhuǎn)汽流對(duì)環(huán)形汽道表面的摩擦力進(jìn)一步增加了轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩，因?yàn)檫@些摩擦力方向與旋轉(zhuǎn)方向一致；

在動(dòng)葉列入口處形成較均勻的汽流速度場(chǎng)和進(jìn)汽角，從而減少了動(dòng)葉柵中的損失。

在幾何參數(shù)未經(jīng)優(yōu)化的小高度葉片單流模型級(jí)上進(jìn)行的一系列證明，這種由徑向?qū)~和軸向葉輪組成的級(jí)的效率相當(dāng)高；按滯止參數(shù)計(jì)算的效率最大值為0.87～0.88。

顯然，這種級(jí)的可靠性并不比通常的軸流級(jí)差，應(yīng)用于汽輪機(jī)低壓缸通流部分能避免傳統(tǒng)進(jìn)汽段的缺點(diǎn)。

例如，利用對(duì)300MW、500 MW、800MW 汽輪機(jī)通用化低壓缸通流部分進(jìn)行的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和熱力計(jì)算，完成了改進(jìn)和完善低壓缸的兩個(gè)主要結(jié)構(gòu)方案的研究：

“小”改進(jìn)方案是為了提高以前制造并已安裝在電站上的汽輪機(jī)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)；

“大”改進(jìn)方案是為300MW 和更高功率的汽輪機(jī)設(shè)計(jì)和研制新的完善化低壓缸。

在進(jìn)行“小”改進(jìn)時(shí)提出：使PCAOK 級(jí)的焓降與原低壓缸第一個(gè)軸流級(jí)的相同：第一個(gè)軸流級(jí)葉輪的幾何特性沒有變化、但其內(nèi)輪廓轉(zhuǎn)角。與原結(jié)構(gòu)相比，每個(gè)流向的第一級(jí)軸向尺寸縮短了大約115mm，從而能實(shí)現(xiàn)下列通流部分改進(jìn)方案：

不改變級(jí)間軸向間隙，即不改變通流部分子午面張角，把中間幾級(jí)向第一級(jí)方向稍加挪動(dòng)。

為了改善第二級(jí)后的流動(dòng)，把第二和第三級(jí)間的軸向距離增大了20mm，改善了第二級(jí)后面的抽汽狀況，可提高第三級(jí)的效率。為了減小末級(jí)隔板的子午面張角，把它和末級(jí)葉輪之間的軸向距離增大95mm，而余高仍保持原有值，因此使末級(jí)子午面張角可從50°減小到36°。預(yù)期借此可提高末級(jí)效率1%～2%。通流部分的上述改進(jìn)可在低壓缸轉(zhuǎn)子和內(nèi)缸不作太大的變動(dòng)情況下實(shí)現(xiàn)。

對(duì)于“大”改進(jìn)方案，在下列附加條件下進(jìn)行了PCAOK計(jì)算：

徑流-軸流級(jí)的焓降相當(dāng)于原低壓缸第一級(jí)和第二級(jí)的焓降，為此將其葉輪平均直徑從1499mm 增大到1910mm；

所有級(jí)的根部直徑與原來(lái)相比增大到1730mm；分流器的內(nèi)輪廓也轉(zhuǎn)角。

在末級(jí)動(dòng)葉保持原有高度（即960mm）時(shí)，不宜把其前幾級(jí)葉片的高度大幅度降低，因?yàn)檫@樣會(huì)導(dǎo)致通流部分張角增大，從而增大了能量損失。較適宜的方法是：大致保持葉片高度不變，而增大根部直徑，并重新設(shè)計(jì)其型線，改變動(dòng)葉中的速比、反動(dòng)度和汽流入口角。此時(shí)，末級(jí)排汽面積增大，余速損失減小。

盡管徑流-軸流級(jí)的動(dòng)葉高度比原始方案小，但由于級(jí)數(shù)減少、新的第一級(jí)軸向尺寸也已減小，故可以大大減小通流部分張角（35°）。增大各級(jí)間的軸向距離可以更合理地安排抽汽，改善級(jí)的進(jìn)汽條件。

在采用蝸殼形進(jìn)汽管時(shí)，可使載荷整個(gè)變化范圍內(nèi)低壓缸進(jìn)口處的級(jí)組效率得到更大的提高。此外，采用蝸殼形進(jìn)汽管時(shí)，依靠其中汽流速度的增大，還可以大大減小進(jìn)汽管的尺寸。

3 結(jié)論

（1）研究和結(jié)構(gòu)研究表明，在汽輪機(jī)低壓缸中采用PCAOK 級(jí)來(lái)提高效率和可靠性是適宜的。

（2）第一個(gè)和第二個(gè)軸流級(jí)改成PCAOK 級(jí)，可以使汽缸內(nèi)部進(jìn)一步立體化，從而減小汽輪機(jī)汽缸的軸向尺寸，或通過改善汽輪機(jī)排汽部分的性能和減小通流部分子午面張角來(lái)提高效率。