噴嘴調(diào)節(jié)方式下調(diào)節(jié)級(jí)葉片強(qiáng)度的計(jì)算分析方法

孫建國(guó)　馬濤　白存軍　楊春宇　李越男　劉金龍

摘 要：目前，越來越多的大功率汽輪機(jī)不得不在采用噴嘴調(diào)節(jié)方式下進(jìn)行快速深度變負(fù)荷運(yùn)行，來應(yīng)對(duì)新能源電源大規(guī)模接入和峰谷差日益增大的電網(wǎng)現(xiàn)狀。然而，不同的噴嘴調(diào)節(jié)方式對(duì)汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級(jí)葉片強(qiáng)度的影響也是不同的。該文針對(duì)600 MW和300 MW兩個(gè)典型級(jí)別機(jī)組，分析了噴嘴調(diào)節(jié)方式對(duì)機(jī)組調(diào)節(jié)級(jí)葉片強(qiáng)度的影響，并給出了噴嘴調(diào)節(jié)方式對(duì)調(diào)節(jié)級(jí)葉片強(qiáng)度的計(jì)算方法。這對(duì)保證我國(guó)占主流的300 MW級(jí)別和600 MW級(jí)別機(jī)組的安全高效運(yùn)行具有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：300 MW 600 MW 噴嘴調(diào)節(jié) 調(diào)節(jié)級(jí) 葉片強(qiáng)度 變工況計(jì)算

中圖分類號(hào)：TK26 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）10（a）-0215-02

目前，許多大功率機(jī)組（包括供熱機(jī)組）不得不在噴嘴調(diào)節(jié)方式下進(jìn)行快速深度變負(fù)荷運(yùn)行，從而緩解電網(wǎng)調(diào)峰存在越來越大的壓力，包括不斷增大的電網(wǎng)峰谷差和越來越大接入比例的風(fēng)電等新能源電力[1]。目前，對(duì)于噴嘴配汽規(guī)律的研究大多都集中于順序閥的安全投運(yùn)方面，解決配汽規(guī)律設(shè)計(jì)不合理給機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行帶來的經(jīng)濟(jì)性、安全性及調(diào)節(jié)特性問題[2-6]。然而，實(shí)際研究表明，如果噴嘴調(diào)節(jié)方式設(shè)計(jì)不合理對(duì)機(jī)組調(diào)節(jié)級(jí)葉片強(qiáng)度的也會(huì)產(chǎn)生影響[7-8]。文獻(xiàn)[9]指出首先對(duì)汽輪機(jī)在不同配汽方式下調(diào)節(jié)級(jí)后溫度變化情況進(jìn)行了分析，然后計(jì)算了不同配汽方式下汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級(jí)后轉(zhuǎn)子的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)。最后給出了汽輪機(jī)由節(jié)流配汽改為噴嘴配汽方式后的變負(fù)荷速度確定方法。調(diào)節(jié)級(jí)變工況計(jì)算是目前汽輪機(jī)熱力校核和強(qiáng)度校核的基礎(chǔ)，文獻(xiàn)[10]提出了一種改進(jìn)方法，用于快速計(jì)算汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級(jí)變工況的特性曲線，并以某型50 MW汽輪機(jī)為例進(jìn)行了對(duì)比計(jì)算。相比之前的方法，改進(jìn)后的方法計(jì)算精確度有所提高。由于調(diào)節(jié)級(jí)焓降和反動(dòng)度的計(jì)算是調(diào)節(jié)級(jí)變工況計(jì)算的基礎(chǔ)和重要內(nèi)容，文獻(xiàn)[11]介紹了汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級(jí)變工況時(shí)焓降和反動(dòng)度的計(jì)算方法，并以N600型汽輪機(jī)為例，應(yīng)用MATLAB語言編制計(jì)算軟件進(jìn)行了實(shí)例計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制了調(diào)節(jié)級(jí)焓降和反動(dòng)度的變化曲線。文獻(xiàn)[12]通過對(duì)調(diào)節(jié)閥聯(lián)合升程流量特性的分析，建立相鄰兩個(gè)不完全開啟調(diào)節(jié)閥的流量計(jì)算模型，并引入到調(diào)節(jié)級(jí)變工況計(jì)算中，提出考慮重疊度的汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級(jí)變工況改進(jìn)算法，解決以往重疊區(qū)內(nèi)工況無法計(jì)算的問題，保證機(jī)組在線仿真的連續(xù)性，并對(duì)國(guó)產(chǎn)200 MW機(jī)組進(jìn)行調(diào)節(jié)級(jí)變工況計(jì)算。

由于在我國(guó)北方運(yùn)行著大量300 MW級(jí)別和600 MW級(jí)別的調(diào)峰調(diào)頻機(jī)組，這些機(jī)組往往需要進(jìn)行大范圍的深度變負(fù)荷運(yùn)行。因此，該文針對(duì)600 MW和300 MW兩個(gè)典型級(jí)別機(jī)組，分析了噴嘴調(diào)節(jié)方式對(duì)機(jī)組調(diào)節(jié)級(jí)葉片強(qiáng)度的影響，并給出了噴嘴調(diào)節(jié)方式對(duì)調(diào)節(jié)級(jí)葉片強(qiáng)度的計(jì)算方法。這對(duì)保證我國(guó)占主流的300 MW級(jí)別和600 MW級(jí)別機(jī)組的安全高效運(yùn)行具有一定的借鑒意義。

1 葉片強(qiáng)度校核計(jì)算理論分析

1.1 調(diào)節(jié)級(jí)葉片受力情況分析

一般，葉片作用力的主要形式有以下幾種：離心力作用、蒸汽作用力、圍帶、拉筋發(fā)生彎曲變形時(shí)的作用力。當(dāng)葉片安裝偏移時(shí)，離心力的作用點(diǎn)不通過計(jì)算截面的形心時(shí)，將引起彎曲應(yīng)力。所以，對(duì)于機(jī)組葉片應(yīng)力分析來講，應(yīng)該包括以下幾方面：（1）汽流作用力：包括彎曲應(yīng)力和振動(dòng)-動(dòng)應(yīng)力、頻率特性（計(jì)算自振頻率是否會(huì)共振）；（2）離心力：拉伸應(yīng)力、彎曲應(yīng)力；（3）受熱不均勻：不均勻溫度場(chǎng)引起的溫度應(yīng)力。

1.2 調(diào)節(jié)級(jí)最危險(xiǎn)工況下的校核

一般，葉片所受離心力隨轉(zhuǎn)速、葉片質(zhì)量變化，蒸汽作用力隨級(jí)的焓降和流量而變化。對(duì)于葉片本身來講，葉根是汽輪機(jī)葉片的重要組成部分，它承擔(dān)著動(dòng)葉與葉輪的連接任務(wù)。在機(jī)組運(yùn)行過程中，葉根與葉片一樣要承受離心力和氣流力。對(duì)于周向安裝的葉根還要承受相鄰兩側(cè)葉根的反作用力。葉根的安全對(duì)整個(gè)機(jī)組的安全運(yùn)行至關(guān)重要。要保證運(yùn)行安全性，必須在最危險(xiǎn)工況下即葉片受力最大的情況下進(jìn)行校核。汽輪機(jī)中各級(jí)葉片的最危險(xiǎn)工況并不是同時(shí)出現(xiàn)。例如：不論是4個(gè)調(diào)門的機(jī)組還是6個(gè)調(diào)門的機(jī)組，調(diào)節(jié)級(jí)的最危險(xiǎn)工況是在第一個(gè)調(diào)節(jié)閥接近全開而第二個(gè)調(diào)節(jié)閥尚未開啟之時(shí)，此時(shí)調(diào)節(jié)級(jí)的理想比焓降最大，部分進(jìn)汽度最小；對(duì)于低壓級(jí)，最危險(xiǎn)工況是在最大蒸汽流量和最高真空時(shí)。對(duì)于同一葉片，其葉頂、葉身、葉根等不同位置的應(yīng)力情況不同，應(yīng)對(duì)最危險(xiǎn)截面進(jìn)行校核。一般而言，靠近葉根位置的應(yīng)力較大，對(duì)于變截面葉片應(yīng)該對(duì)應(yīng)力最大的截面進(jìn)行校核。所以，強(qiáng)度校核必須依賴于調(diào)節(jié)級(jí)變工況計(jì)算。

2 應(yīng)力校核計(jì)算的基本依據(jù)

2.1 應(yīng)力計(jì)算

2.1.1 離心應(yīng)力計(jì)算

對(duì)于等截面葉片來講，根部截面的離心力Fc最大，如式（1）所示：

Fc （1）

因此，一般采用變截面來降低葉型截面上的離心應(yīng)力。

2.1.2 彎曲應(yīng)力計(jì)算

一般，調(diào)節(jié)級(jí)葉片彎曲應(yīng)力依賴于蒸汽作用在每個(gè)葉片上的圓周力和軸向作用力。對(duì)于等截面葉片來講，根部截面點(diǎn)上存在最大彎曲應(yīng)力。對(duì)于扭葉片彎曲應(yīng)力來講，因蒸汽參數(shù)和截面面積沿葉高變化，故必須計(jì)算出蒸汽彎曲應(yīng)力沿葉高的變化規(guī)律，然后對(duì)最大彎曲應(yīng)力的截面進(jìn)行強(qiáng)度校核。因此，調(diào)節(jié)級(jí)變工況計(jì)算是調(diào)節(jié)葉片強(qiáng)度校核計(jì)算的基礎(chǔ)。

2.2 調(diào)節(jié)級(jí)變工況計(jì)算的基本要點(diǎn)

2.2.1 整體計(jì)算流程

如圖1所示，為調(diào)節(jié)級(jí)變工況計(jì)算的整體流程。首先假設(shè)調(diào)節(jié)級(jí)后壓力，分別計(jì)算出調(diào)節(jié)級(jí)后級(jí)組流量和調(diào)節(jié)級(jí)流量。在計(jì)算調(diào)節(jié)級(jí)流量時(shí)，假定噴嘴組前的壓力即調(diào)節(jié)閥后壓力P0i，計(jì)算閥門流量和通過該噴嘴組流量，迭代直到=。流量和確定后，比較和是否相等，若不等重新假設(shè)調(diào)節(jié)級(jí)后壓力重算，若相等則對(duì)調(diào)節(jié)級(jí)進(jìn)行熱力計(jì)算，確定調(diào)節(jié)級(jí)后溫度，依據(jù)弗留蓋爾公式修正溫度對(duì)流量的影響，這時(shí)就可以確定調(diào)節(jié)的特性，通過進(jìn)一步的熱力計(jì)算便可以得到調(diào)節(jié)級(jí)的變工況特性。

2.2.2 流量計(jì)算依據(jù)

調(diào)節(jié)級(jí)的流量計(jì)算是建立在調(diào)節(jié)級(jí)曲線和曲線的基礎(chǔ)上的。通過給定每股汽流的級(jí)前級(jí)后壓力可以得到級(jí)壓力比，從而通過查上述曲線可以得到變工況下調(diào)節(jié)級(jí)的，然后通過公式（2）可以方便的計(jì)算出該股汽流的流量。通過調(diào)節(jié)級(jí)的總流量就是各股汽流的和。

（2）

2.2.3 熱力計(jì)算依據(jù)

調(diào)節(jié)級(jí)的熱力計(jì)算主要是指調(diào)節(jié)級(jí)各項(xiàng)損失和相對(duì)內(nèi)效率的計(jì)算。對(duì)于每股汽流的級(jí)后焓可以借助調(diào)節(jié)級(jí)特性計(jì)算得到的曲線計(jì)算。通過每股汽流的級(jí)前級(jí)后參數(shù)，可以確定該股汽流的等熵焓降，進(jìn)而可以求得假想速比，查曲線可得輪周效率，隨后根據(jù)初始焓便可確定每股汽流的級(jí)后焓。

調(diào)節(jié)級(jí)的輪周效率為：

（3）

式中，為全開閥門的等熵焓降。

相對(duì)內(nèi)效率計(jì)算是在上述計(jì)算基礎(chǔ)上考慮級(jí)的損失后得到的，即：

（4）

式中，為級(jí)的各項(xiàng)損失。

蒸汽在汽輪機(jī)級(jí)內(nèi)并不能把級(jí)的理想焓降全部轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)軸上的機(jī)械功。因?yàn)閷?shí)際的能量轉(zhuǎn)換過程中，除了葉柵損失以外，級(jí)內(nèi)還有各種損失存在，使得汽輪機(jī)級(jí)發(fā)出的有效功減少。這些損失分別為：扇形損失、葉輪摩擦損失、部分進(jìn)汽損失、漏氣損失和濕汽損失。在調(diào)節(jié)級(jí)內(nèi)由于葉片很短并且處于過熱蒸汽區(qū)，所以調(diào)節(jié)級(jí)內(nèi)的損失主要包括葉輪摩擦損失、部分進(jìn)汽損失、漏氣損失。而部分進(jìn)汽損失又可分為鼓風(fēng)損失和斥汽損失。

2.2.4 氣流力計(jì)算依據(jù)

圓周向汽流力除了產(chǎn)生使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的扭矩外，還會(huì)產(chǎn)生剩余的力。這部分力可以由圓周向力沿X和Y積分得到：

（5）

（6）

式中，為圓周向汽流力（N）；分別為該噴嘴弧段的起始、終止角（弧度）。

軸向分力可由氣體軸向分量動(dòng)量變化和葉片前后的靜壓差確定：

（7）

式中，分別為葉片進(jìn)、出口的軸向分速（m/s）；分別為葉片前后氣體靜壓力（）；葉片節(jié)距（m）；葉片高度（m）；通過該噴嘴組的流量（Kg/s）。

3 結(jié)語

該文針對(duì)600 MW和300 MW兩個(gè)典型級(jí)別機(jī)組，分析了噴嘴調(diào)節(jié)方式對(duì)機(jī)組調(diào)節(jié)級(jí)葉片強(qiáng)度的影響，并給出了噴嘴調(diào)節(jié)方式對(duì)調(diào)節(jié)級(jí)葉片強(qiáng)度的計(jì)算方法。這對(duì)保證我國(guó)占主流的300 MW級(jí)別和600 MW級(jí)別機(jī)組的安全高效運(yùn)行具有一定的借鑒意義。

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