大型空冷汽輪機(jī)關(guān)鍵技術(shù)及解決策略研究

張桂彬

摘 要 大型空冷汽輪機(jī)在運(yùn)行的過程中，環(huán)境溫度變化對排汽溫度和背壓都有一定影響。在這一特點(diǎn)基礎(chǔ)上，本文首先從高阻尼結(jié)構(gòu)末級葉片和落地式低壓缸兩個角度出發(fā)，對大型空冷汽輪機(jī)關(guān)鍵技術(shù)及解決策略展開了探討，希望為大型空冷汽輪機(jī)的長期安全穩(wěn)定運(yùn)行奠定良好的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞 大型空冷汽輪機(jī)；關(guān)鍵技術(shù)；解決策略

中圖分類號 TH11 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2095-6363（2017）16-0112-01

1 高阻尼結(jié)構(gòu)末級葉片

1.1 提升空冷專用末級葉片全工況安全性措施

要想促使空冷汽輪機(jī)在運(yùn)行的過程中呈現(xiàn)出較強(qiáng)的安全性，必須保證所開發(fā)的空冷專用末級葉片擁有更高的阻尼，從而促使動應(yīng)力在作用于葉片當(dāng)中時有效減少，保證安全運(yùn)行在末級長葉片中得以實(shí)現(xiàn)。

在對空冷專用末級葉片進(jìn)行制作的過程中，必須保證其能夠?qū)θ莘e流量劇烈變化進(jìn)行承受，因此實(shí)際設(shè)計中的途徑包含以下幾點(diǎn)：高阻尼連接結(jié)構(gòu)應(yīng)有凸臺拉筋或自帶圍帶、自帶圍帶、凸臺套筒拉筋等構(gòu)成，在面對離心力時，應(yīng)保證葉片在有效扭轉(zhuǎn)的情況下進(jìn)行整圈連接，此時單純性成為葉片振動的主要特性，能夠促使響應(yīng)振型數(shù)有效減少[1]。同時一定的摩擦以及接觸會在凸臺拉筋和圍帶之間產(chǎn)生，對其進(jìn)行應(yīng)用，能夠促使結(jié)構(gòu)阻尼有效增加，同時動應(yīng)力在葉片中將有所減少。

末級葉片在使用的過程中應(yīng)足夠強(qiáng)壯，針對濕冷葉片同空冷末級葉片的根部軸向?qū)挾?，后者長度應(yīng)是前者的1.6—2.0倍。在對這一設(shè)計進(jìn)行應(yīng)用的過程中，剛性在末級葉片中有效提升，同時葉片蒸汽彎應(yīng)力得到了降低；葉片阻尼有所增強(qiáng)。

在對反動度進(jìn)行有效控制的過程中，能夠促進(jìn)末級葉片變工況能力和根部反動度控制級的提升。針對末級葉片根部反動度設(shè)計來講，空冷機(jī)組的要求相對特別，必須產(chǎn)生偏高的反動度[2]。如果反動度在冬季工況背壓降低時而有所提升，將明顯提升蒸汽彎應(yīng)力和根部流動損失，如果擁有偏低的根部反動度，夏季不斷升高的工況背壓，會導(dǎo)致葉片根部提前進(jìn)入負(fù)反動度區(qū)，形成回流和流動分離，造成嚴(yán)重的流動損失。

因此在實(shí)際設(shè)計的過程中，應(yīng)對靜葉為復(fù)合彎扭葉片進(jìn)行充分的應(yīng)用，在對反動度沿葉高的分布進(jìn)行控制的過程中對動葉沿葉高反扭法進(jìn)行充分的應(yīng)用。

1.2 提升空冷專用末級葉片全工況經(jīng)濟(jì)性措施

在空冷機(jī)組變工況特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，將全三維數(shù)值模擬應(yīng)用到末級動葉各典型工況中，從而對運(yùn)行過程中的變工況流動現(xiàn)象進(jìn)行全面分析，并詳細(xì)研究了高背壓產(chǎn)生流動分離基礎(chǔ)上的顫振機(jī)理。

當(dāng)背壓升高是機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)時，快速降低的現(xiàn)象會在末級動葉出口速度中形成，促使其運(yùn)行在負(fù)攻角偏大的情況下，此時嚴(yán)重流動分離現(xiàn)象會在末級動葉頂部形成，漩渦也會在動葉頂處產(chǎn)生[3]。此時損失在動葉頂部葉型中會越來越嚴(yán)重，交變應(yīng)力會對葉片產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，導(dǎo)致震顫現(xiàn)象在葉片中形成。在對工況進(jìn)行設(shè)計的過程中，可以將一定的正攻角在葉片中部以上進(jìn)行應(yīng)用，從而實(shí)現(xiàn)對頂部葉型壓力的延緩，減少流動分離現(xiàn)象發(fā)生的概率，此時漩渦強(qiáng)度在動葉頂部會有所降低，而整體變工況氣動性能在葉片中也能夠得到改善，促使安全性在葉片中運(yùn)行過程中有效實(shí)現(xiàn)。

1.3 空冷專用末級葉片試驗(yàn)

葉片振動的過程中，必須全面掌握安全性以及振動的特點(diǎn)，尤其是小容積流量條件下，葉片振動是否能夠具有較強(qiáng)的安全性至關(guān)重要。在展開研究的過程中，應(yīng)確保正確的進(jìn)行葉片氣動設(shè)計，因此，流場試驗(yàn)和動應(yīng)力試驗(yàn)對于葉片研究具有重要意義。

在對空冷機(jī)組實(shí)際運(yùn)行工況進(jìn)行模擬，并對動應(yīng)力進(jìn)行測試的過程中，可以對末三級模型透平試驗(yàn)進(jìn)行應(yīng)用，試驗(yàn)結(jié)果說明動應(yīng)力小是新型高阻尼末級葉片的主要特點(diǎn)，由此也充分說明，我國在開發(fā)葉片的過程中取得了進(jìn)步。從安全的角度來看，要想合理的設(shè)置末級葉片頻率，出廠前必須對葉片進(jìn)行作動調(diào)頻試驗(yàn)。增加末級葉片長度，如果擁有明顯的二階頻率響應(yīng)，那么必須對工作頻率進(jìn)行避開處理[4]。在以往的處理過程中，為了促進(jìn)一階頻率的提升、二階頻率降低，需要對圍帶重量減少的方法進(jìn)行應(yīng)用，但是這一方法并沒有形成良好的調(diào)節(jié)效果，葉片頻率無法達(dá)到安全性指標(biāo)。而現(xiàn)階段在對聯(lián)結(jié)剛度進(jìn)行調(diào)整的過程中，有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)調(diào)整方法的缺陷。

2 落地式低壓缸

在對軸承箱落地式結(jié)構(gòu)低壓缸進(jìn)行開發(fā)的過程中，必須首先了解其特點(diǎn)：針對動靜碰磨、低壓缸漏汽等安全性問題，可以對落地式低壓內(nèi)缸進(jìn)行研發(fā)和應(yīng)用。原有低壓內(nèi)缸為一體化設(shè)計，需要在外缸中分面上進(jìn)行支撐，通過外缸、內(nèi)缸的變形來促使低壓靜子產(chǎn)生變形；同時，尺寸較大是低壓內(nèi)外缸的一個主要特點(diǎn)，在焊接的過程中，使用的鋼板澆薄，因此擁有交叉的剛性。在空冷機(jī)組中應(yīng)用這一設(shè)備，靜子會因較高的排汽溫度而產(chǎn)生較大的變形，最終形成動靜碰磨，這就給機(jī)組運(yùn)行的安全性帶來了嚴(yán)重的威脅[5]。

要想高效處理以上問題，應(yīng)將落地式結(jié)構(gòu)應(yīng)用于低壓內(nèi)缸設(shè)計中，而傳統(tǒng)的雙層結(jié)構(gòu)應(yīng)被單層結(jié)構(gòu)所取代，從而生成較強(qiáng)的剛性。在對有限元計算進(jìn)行應(yīng)用的過程中，內(nèi)缸中不同部位的應(yīng)變能力以及應(yīng)力都可以得到充分的反映，說明整體結(jié)構(gòu)設(shè)計具有較強(qiáng)的合理性。在對有限元分析進(jìn)行充分應(yīng)用的背景下得出，低壓缸的變形在軸向、水平以及豎向方向上相對較小，說明設(shè)備符合運(yùn)行要求。

另外，在對成功落地式低壓軸承箱進(jìn)行研制的過程中，促使穩(wěn)定性在軸系中有所提升。由于變化快且排汽溫度高是空冷機(jī)組運(yùn)行過程中的主要特點(diǎn)，要想減小軸承座受低壓外缸變形的影響，應(yīng)徹底分離低壓外缸和軸承座，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)上的單獨(dú)支撐[6]。此時一定程度上提升了軸承座垂直支撐剛性，同時排汽溫度變化、真空變化等對軸承標(biāo)高的影響也越來越小，全工況條件下軸系始終保持較強(qiáng)的穩(wěn)定性。

動靜間隙碰磨是由于靜子與轉(zhuǎn)子不同心而產(chǎn)生的，低壓端汽封被空冷機(jī)組設(shè)計為支撐在軸承座上。由于落地是軸承座的特點(diǎn)，因此排汽溫度變化不會對中心標(biāo)高產(chǎn)生影響，因此排汽溫度變化不會導(dǎo)致低壓端汽封中心發(fā)生改變。然而，排汽溫度變化會對低壓外缸產(chǎn)生影響，促使其發(fā)生形變，在將波紋管加裝到外缸和端汽封之間時，能夠?qū)崿F(xiàn)柔性連接，促使垂直以及軸向熱差脹上產(chǎn)生的位移得到補(bǔ)償。而轉(zhuǎn)子同端汽封始終處于同心的狀態(tài)，因此可以形成良好的密封性。

3 結(jié)論

綜上所述，在提升葉片阻尼和剛度的基礎(chǔ)上，能夠促使葉片在運(yùn)行的過程中，受到的振蕩減少，同時，在對一階和二階頻率進(jìn)行調(diào)整的過程中，對連結(jié)剛度調(diào)整法進(jìn)行了充分的應(yīng)用。在此基礎(chǔ)上，高阻尼結(jié)構(gòu)末級長葉片得到了開發(fā)和應(yīng)用，為大型空冷汽輪機(jī)實(shí)現(xiàn)長期穩(wěn)定運(yùn)行奠定了良好的基礎(chǔ)。另外，對落地式軸承、和落地式低壓缸的設(shè)計，符合環(huán)境溫度變化對排汽溫度和背壓影響的大型空冷汽輪機(jī)特點(diǎn)，更可以轉(zhuǎn)變低壓內(nèi)缸嚴(yán)重變形的現(xiàn)象。

參考文獻(xiàn)

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