汽輪機(jī)40/48英寸鋼制末級(jí)葉片的開發(fā)與應(yīng)用

【摘要】從研發(fā)開始就以低成本、高性能的鋼制葉片取代鈦合金葉片的聯(lián)合開發(fā)。來自公司的熱平衡、空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料開發(fā)等部門的技術(shù)人員組成了開發(fā)隊(duì)伍，開始了對(duì)40英寸/48英寸末級(jí)葉片系列的開發(fā)工作。

【關(guān)鍵詞】汽輪機(jī)；末級(jí)葉片；開發(fā)與應(yīng)用

1.前言

公司開發(fā)了火電站汽輪機(jī)用長度為48英寸和40英寸，且具有世界最大環(huán)形排汽面積和高性能的末級(jí)鋼制葉片系列。自從開始著手設(shè)計(jì)首臺(tái)應(yīng)用該長葉片、且面向市場的聯(lián)合循環(huán)汽輪機(jī)，該機(jī)組開始進(jìn)入調(diào)試階段。本文概述了該葉片的開發(fā)和實(shí)際應(yīng)用情況。

2.開發(fā)要點(diǎn)

開發(fā)具有更大環(huán)形面積和高性能的末級(jí)動(dòng)葉是提高汽輪機(jī)性能的有效手段。葉片長度和環(huán)形面積應(yīng)該通過綜合考慮材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能來選定，而50Hz48英寸葉片的環(huán)形面積為11.9m2，是世界上最長的鋼制末級(jí)葉片。

通過減薄葉型厚度同時(shí)實(shí)現(xiàn)了減輕重量和提高空氣動(dòng)力學(xué)性能等目標(biāo)。結(jié)構(gòu)與運(yùn)行業(yè)績的高可靠性鈦合金40英寸末級(jí)葉片基本相同，也采用弧形樅樹型葉根，具有高減振能力的整圈連接式整體圍帶，以及拉筋凸耳/套筒等結(jié)構(gòu)。

末級(jí)的設(shè)計(jì)點(diǎn)通過環(huán)形面積除以質(zhì)量流量得出的端面載荷以及環(huán)形面積除以容積流量得出的排汽軸向速度表示。該設(shè)計(jì)點(diǎn)根據(jù)市場調(diào)查的結(jié)果確定，然后按照這一設(shè)計(jì)點(diǎn)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)的優(yōu)化。之后，又設(shè)定了高流量側(cè)和低流量側(cè)的設(shè)計(jì)點(diǎn)，并按照這兩個(gè)設(shè)計(jì)點(diǎn)開始進(jìn)行設(shè)計(jì)。運(yùn)用以往空氣動(dòng)力學(xué)分析常用的3元流體數(shù)值解析和有限元結(jié)構(gòu)分析方法，反復(fù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)的優(yōu)化，最終開發(fā)出了通流面積比原有42英寸葉片增加了25%的28英寸葉片。

在葉片材料方面，以具有良好耐腐蝕和耐侵蝕性、并擁有運(yùn)行業(yè)績的15Cr鋼為基礎(chǔ)優(yōu)化了其成分，改進(jìn)了熱處理規(guī)范，從而抑制了其對(duì)應(yīng)力腐蝕裂紋的敏感性，提高了強(qiáng)度。

在轉(zhuǎn)子材料方面，以擁有大量應(yīng)用業(yè)績的3.5NiCrMo鋼為基礎(chǔ)，優(yōu)化了其成分，改進(jìn)了熱處理規(guī)范，從而抑制了對(duì)應(yīng)力腐蝕裂紋的敏感性，并提高了強(qiáng)度。

3.空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)

由于葉長的增加，導(dǎo)致了外徑的加大，因此葉頂?shù)膱A周速度高達(dá)680m/s。另一方面，由于從靜葉出來的回轉(zhuǎn)分速使離心力均衡，因此葉片加長后，其根部側(cè)靜壓變小，從而使根部側(cè)的流動(dòng)順暢。另外，靜葉出口速度增大，超過了音速。同時(shí)動(dòng)葉頂部附近和根部附近的相對(duì)進(jìn)口速度增大，也是導(dǎo)致?lián)p失增加的原因。因此，采取了對(duì)包括上游兩級(jí)，即次末級(jí)（L-1）和次次末級(jí)（L-2）在內(nèi)的三個(gè)級(jí)同時(shí)進(jìn)行分析的方法，優(yōu)化了上述各級(jí)的負(fù)荷分布、徑向載荷以及流量分布，使末級(jí)動(dòng)葉的進(jìn)口速度均勻化，抑制了最大速度。此外，對(duì)末級(jí)采用了加大其周向彎曲的三維設(shè)計(jì)靜葉，加上半徑方向上的靜壓梯度減小，和靜葉根部壁面的曲率，葉根側(cè)靜壓變得更高.從而使動(dòng)葉入口馬赫數(shù)得到了抑制，改進(jìn)了空氣動(dòng)力學(xué)性能。

各截面的馬赫數(shù)分布用不同的顏色加以標(biāo)識(shí)。動(dòng)葉入口的馬赫數(shù)，包含葉頂附近，全都達(dá)到了亞音速；面靜葉出口的馬赫數(shù)在根部側(cè)超過了音速，與以前的設(shè)計(jì)相比，已經(jīng)抑制在很低的水平。另外，為了緩解在動(dòng)靜葉出口速度超過了音速的那部分沖擊波損失，采用了高性能的跨音速葉片。

4.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了確保末級(jí)動(dòng)葉的結(jié)構(gòu)健全性，通過調(diào)頻使旋轉(zhuǎn)頻率遠(yuǎn)離共振頻率來降低離心應(yīng)力和振動(dòng)應(yīng)力。在進(jìn)行離心應(yīng)力和振動(dòng)特性分析時(shí)，通過采用最新的有限元分析方法對(duì)大量實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證。為了優(yōu)化葉片的應(yīng)力分布狀況，最大應(yīng)力已經(jīng)降低到材料容許值的很低程度。此外，在葉根方面，在擁有豐富運(yùn)行業(yè)績的40英寸鈦合金葉片葉根的基礎(chǔ)上，優(yōu)化了其形狀，從而減少了局部應(yīng)力。采用這種方法，通過優(yōu)化葉片形狀的參數(shù)，優(yōu)化了其振動(dòng)特性和靜態(tài)應(yīng)力，還確保了很高的失諧裕度和更高的可靠性。

在材料方面，進(jìn)行了不同條件下的機(jī)械強(qiáng)度試驗(yàn)、疲勞試驗(yàn)、腐蝕試驗(yàn)、浸蝕試驗(yàn)，最終確定了材料制造要求。

5.驗(yàn)證試驗(yàn)

5.1回轉(zhuǎn)振動(dòng)試驗(yàn)

由具有實(shí)機(jī)尺寸的末級(jí)、次末級(jí)和次次末級(jí)組成的轉(zhuǎn)子。通過制造實(shí)際尺寸的葉片和試驗(yàn)轉(zhuǎn)子，確認(rèn)了新開發(fā)的50Hz48英寸末級(jí)鋼制葉片系列材料性能符合設(shè)計(jì)要求。此外，通過實(shí)際尺寸的葉片和轉(zhuǎn)子的加工和裝配，進(jìn)一步確認(rèn)了其可制造性和可裝配性。

對(duì)按照模擬設(shè)計(jì)法開發(fā)的60Hz40英寸葉片，也通過制造實(shí)際大小的葉片和轉(zhuǎn)子進(jìn)行了同樣的驗(yàn)證試驗(yàn)，并確認(rèn)了其性能設(shè)計(jì)值。

5.2在低壓試驗(yàn)透平上進(jìn)行的試驗(yàn)

該試驗(yàn)裝置按照1/3的比例制造利用來自鍋爐的汽源，試驗(yàn)透平由安裝試驗(yàn)對(duì)象的低壓部分和與低壓進(jìn)口蒸汽參數(shù)相匹配的高壓部分組成。為了能夠單獨(dú)測量末級(jí)的出力，該透平為分軸結(jié)構(gòu)，其中末級(jí)位于單獨(dú)的軸上。

在低壓試驗(yàn)透平上進(jìn)行的振動(dòng)應(yīng)力以及性能實(shí)測點(diǎn)?？v坐標(biāo)表示真空度，橫軸表示不同設(shè)計(jì)點(diǎn)的排汽軸向流速。測量范圍很大，在振動(dòng)應(yīng)力；較大的低流量側(cè)主要測量了隨真空變化的振動(dòng)應(yīng)力；面在高流量側(cè)主要測量了性能數(shù)據(jù)。

比較實(shí)測結(jié)果后，確認(rèn)了級(jí)的性能大致都位于設(shè)計(jì)點(diǎn)周圍。當(dāng)排汽的軸向速度比小于0.74時(shí)，性能有所下降，但是其下降速度要比現(xiàn)有長葉片的小。從上述結(jié)果可看出，新開發(fā)的葉片應(yīng)用于設(shè)計(jì)點(diǎn)或部分負(fù)荷下，其效率均較高。

根據(jù)逐點(diǎn)測量獲得的動(dòng)葉相對(duì)進(jìn)口角沿葉展方向的分布狀況與流體分析結(jié)果的比較。距離壁面15%處的實(shí)測數(shù)據(jù)均與預(yù)估值相當(dāng)一致。動(dòng)葉出口全壓沿葉展方向的分布狀況。其實(shí)測值和流體分析的預(yù)估值非常一致。從而確認(rèn)了此次開發(fā)時(shí)采用三元流分析方法的正解性。

對(duì)于實(shí)機(jī)來說，葉片的振動(dòng)應(yīng)力與排汽壓力有關(guān)，特別是在低流量區(qū)振動(dòng)應(yīng)力變大。通過驗(yàn)證試驗(yàn)，得到了在不同排汽壓力和排汽軸向流速下的葉片振動(dòng)數(shù)據(jù)。排汽壓力保持不變的情況下，振動(dòng)應(yīng)力的測量結(jié)果示例。與以前的葉片相比，低流量區(qū)域的振動(dòng)增量已被控制在較低的水中，而在高流量區(qū)域沒有不穩(wěn)定振動(dòng)，且在整個(gè)運(yùn)行范圍內(nèi)的振動(dòng)應(yīng)力也較低。證明在結(jié)構(gòu)上具有自帶圍帶和拉筋凸耳/套筒的整圈連接葉片的可靠性相當(dāng)高。

6.在實(shí)機(jī)上的應(yīng)用

本葉片首次應(yīng)用在聯(lián)合循環(huán)汽輪機(jī)上。其主蒸汽壓力為12.02Mpa，主蒸汽溫度/再熱蒸汽溫度為565/565°C采用單軸、兩排汽結(jié)構(gòu)。48英寸鋼制葉片的應(yīng)用，加上帶去濕槽末級(jí)靜葉和高性能排汽缸的應(yīng)用，進(jìn)一步提高了性能和可靠性。

7.結(jié)論

7.1公司開發(fā)了具有世界最大環(huán)形排汽面積的48英寸和40英寸末級(jí)鋼制葉片。

7.2通過對(duì)實(shí)際大小的葉片和轉(zhuǎn)子的制造、制造檢驗(yàn)、回轉(zhuǎn)試驗(yàn)等，確認(rèn)其遠(yuǎn)離共振點(diǎn)。

7.3利用試驗(yàn)透平，確認(rèn)符合通流部分高效率的設(shè)計(jì)要求。此外，還利用該試驗(yàn)透平進(jìn)行了包括低流量區(qū)在內(nèi)的大量振動(dòng)應(yīng)力測量，確認(rèn)了在運(yùn)行范圍內(nèi)具有充分的可靠性。

作者簡介

王淑琴（1961.5）女，工程師，現(xiàn)主要從事汽輪機(jī)技術(shù)工作。