汽輪機(jī)新型高壓級(jí)隔板靜葉柵結(jié)構(gòu)分析

周 奇，廖 斌，王國(guó)棟，徐大偉

（山東齊魯電機(jī)制造有限公司，山東 濟(jì)南 250100）

0 引言

汽輪機(jī)高壓級(jí)隔板由隔板外環(huán)、隔板體、隔板內(nèi)外圍帶及靜葉柵組成。靜葉柵與內(nèi)外圍帶采用沖孔焊接，再與隔板外環(huán)和隔板體焊接成型，如圖1所示。圖中：1為隔板外環(huán)；2為隔板體；3為隔板靜葉柵。

圖1 汽輪機(jī)高壓級(jí)隔板外形結(jié)構(gòu)圖

汽輪機(jī)高壓通流部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，由于流過(guò)高壓部分蒸汽壓力高、溫度高、比容小，所需的葉柵通道通流面積小，所以隔板靜葉片高度短；且沖動(dòng)式汽輪機(jī)靜葉前后壓差大，為了保證隔板的強(qiáng)度，隔板體軸向?qū)挾容^大，隔板體大多采用CrMo鋼鑄造而成［1］。早期常規(guī)設(shè)計(jì)中為了解決這一問(wèn)題，通常采用窄葉片配合加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)筋可謂是汽輪機(jī)通流部分中最不被重視的部件之一，在氣動(dòng)熱力計(jì)算時(shí)也從不過(guò)問(wèn)其存在，似乎它的唯一任務(wù)就是保證隔板的強(qiáng)度和剛度，至于它對(duì)汽輪機(jī)經(jīng)濟(jì)性的影響就極少考慮。這種結(jié)構(gòu)有效的保證了隔板、靜葉整體的強(qiáng)度，但由于加強(qiáng)筋的型線與葉型不匹配，且加強(qiáng)筋與窄葉片在裝配過(guò)程中不能實(shí)現(xiàn)完全對(duì)齊，易在小葉片的入口處產(chǎn)生旋渦擾流，所以造成高壓隔板靜葉柵蒸汽流動(dòng)損失大，高壓級(jí)組效率低，直接影響汽輪機(jī)的整機(jī)效率［2］。

從高壓級(jí)隔板通流效率和強(qiáng)度兩個(gè)方面對(duì)常規(guī)高壓級(jí)隔板葉柵布置方式和結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)應(yīng)用計(jì)算液體力學(xué)和強(qiáng)度有限元數(shù)值分析方法，結(jié)合相關(guān)機(jī)組的熱力性能考核試驗(yàn)結(jié)果分析，采用新型高壓級(jí)隔板的機(jī)組其高壓通流部分的效率比采用常規(guī)結(jié)構(gòu)時(shí)可以提高1.5%～2%。

1 新型高壓級(jí)隔板靜葉柵結(jié)構(gòu)

常規(guī)結(jié)構(gòu)為了保證靜葉隔板強(qiáng)度，采用了加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)，新型高壓級(jí)隔板在總體結(jié)構(gòu)上與常規(guī)設(shè)計(jì)相似，最大區(qū)別是采用進(jìn)汽邊加長(zhǎng)導(dǎo)流葉柵結(jié)構(gòu)代替原有加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)。

新型隔板靜葉柵由主流葉柵和進(jìn)汽邊加長(zhǎng)導(dǎo)流葉柵組成，主流葉柵和進(jìn)汽邊加長(zhǎng)導(dǎo)流葉柵沿隔板體圓周方向間隔布置，兩相鄰進(jìn)汽邊加長(zhǎng)導(dǎo)流葉柵間設(shè)有至少一個(gè)主流葉柵，各主流葉柵和各進(jìn)汽邊加長(zhǎng)導(dǎo)流葉柵采用相同的背弧出汽側(cè)型線和內(nèi)弧出汽側(cè)型線，相鄰兩進(jìn)汽邊加長(zhǎng)導(dǎo)流葉柵間構(gòu)成導(dǎo)流流道，主流葉柵間及主流葉柵與進(jìn)汽邊加長(zhǎng)導(dǎo)流葉柵間構(gòu)成主流流道。蒸汽進(jìn)入隔板的通流區(qū)域首先經(jīng)過(guò)進(jìn)汽邊加長(zhǎng)導(dǎo)流葉柵構(gòu)成的導(dǎo)流流道對(duì)汽流進(jìn)行導(dǎo)流，然后再進(jìn)入主流葉柵間及主流葉柵與加長(zhǎng)導(dǎo)流葉柵間的主流流道完成膨脹加速，如圖2所示。圖中：1為小葉片；2為加強(qiáng)筋；3為分流葉片；4為主流葉片。

圖2 常規(guī)隔板靜葉柵與新型隔板靜葉柵結(jié)構(gòu)對(duì)比

主流葉柵型線的特點(diǎn)是采用小進(jìn)汽側(cè)內(nèi)背弧過(guò)渡圓結(jié)構(gòu)，同時(shí)進(jìn)汽邊加長(zhǎng)導(dǎo)流葉柵型線也采用小進(jìn)汽側(cè)內(nèi)背弧過(guò)渡圓結(jié)構(gòu)。進(jìn)汽邊加長(zhǎng)導(dǎo)流葉柵安裝角 βs1=68°～76°； 主流葉柵安裝角 βs2=36°～44°。主流葉柵間以及進(jìn)汽邊加長(zhǎng)導(dǎo)流葉柵和主流葉柵間的節(jié)距相同，進(jìn)汽邊加長(zhǎng)導(dǎo)流葉柵與主流葉柵的出汽邊厚度一致，同時(shí)兩類(lèi)葉柵型線具有相同的最大厚度。

2 新型高壓級(jí)隔板靜葉柵氣動(dòng)特性

主流葉柵采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法，通過(guò)控制葉片內(nèi)背弧型線使汽流膨脹加速區(qū)沿葉型出汽邊后移，葉型表面大部分區(qū)域的流動(dòng)附面層邊界層處于層流態(tài)，減少葉型摩擦損失，使背弧面出汽側(cè)的邊界層不易產(chǎn)生脫流，從而減少葉型尾跡區(qū)。葉柵通道前段內(nèi)背弧面的壓差較小，橫向壓力梯度也較小，從而推遲了根部端壁二次流的生成和發(fā)展，葉柵流道后半段因汽流膨脹加速，主流通道的速度較高，減小了葉柵根部和頂部附面層汽流的堆積，使二次流損失降低。兩種先進(jìn)的葉型設(shè)計(jì)方法相結(jié)合，有效地減少葉型損失，如圖3所示，在相同的葉柵最佳相對(duì)節(jié)距位置，下方的新型葉柵比上方的常規(guī)結(jié)構(gòu)葉型損失（ξp）可以減少0.3%～0.5%。

圖3 常規(guī)結(jié)構(gòu)與新型隔板葉柵葉型損失對(duì)比

進(jìn)汽角是汽流進(jìn)入葉柵流道時(shí)的方向與葉型額線之間所形成的夾角，進(jìn)汽角與葉柵幾何進(jìn)口角的夾角稱(chēng)為沖角，其是汽輪機(jī)變工況運(yùn)行時(shí)對(duì)葉柵損失有較大影響的因素之一［3］。汽輪機(jī)變工況運(yùn)行時(shí)，隔板靜葉柵汽流來(lái)流方向?qū)⑵x設(shè)計(jì)值，對(duì)沖動(dòng)式汽輪機(jī)而言，靜葉片承擔(dān)了大部分焓降，因此靜葉片的沖角適應(yīng)性直接影響機(jī)組的變工況性能。主汽葉柵型線采用小的進(jìn)汽側(cè)內(nèi)背弧過(guò)渡圓Ds1設(shè)計(jì)，在保證葉片強(qiáng)度的條件下，Ds1僅為葉型最大厚度Ds3的16%～23%，比傳統(tǒng)葉型減少了45%～52%，所以比傳統(tǒng)葉型具有更大的沖角適應(yīng)性范圍。

圖4 高壓級(jí)效率與葉片寬比的關(guān)系

進(jìn)汽邊加長(zhǎng)導(dǎo)流葉柵型線采用小的進(jìn)汽側(cè)內(nèi)背弧過(guò)渡圓Ds4，新型的結(jié)構(gòu)有效地減少了由于導(dǎo)流葉柵厚度所引起的對(duì)蒸汽的阻流作用，導(dǎo)流葉柵的進(jìn)汽側(cè)圓角與最大厚度間采用高階光順曲線連接，這樣的型線設(shè)計(jì)可使汽輪機(jī)在變工況運(yùn)行時(shí)，在導(dǎo)流流道中緩解由于汽流進(jìn)口角變化在進(jìn)口部分所形成的擴(kuò)壓，汽流速度變化率連接平滑，提高了導(dǎo)流流道的蒸汽流動(dòng)效率。

3 新型高壓級(jí)隔板靜葉柵強(qiáng)度特性

常規(guī)結(jié)構(gòu)的高壓級(jí)隔板采用加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)保證了隔板的整體強(qiáng)度滿足汽輪機(jī)設(shè)計(jì)工況及變工況運(yùn)行的要求，新型隔板靜葉柵的進(jìn)汽邊加長(zhǎng)導(dǎo)流葉柵的加長(zhǎng)段在保證隔板強(qiáng)度的機(jī)理上與常規(guī)設(shè)計(jì)相似，有效地提高了汽輪機(jī)高壓級(jí)段焊接隔板內(nèi)外圍帶的焊接剛度，并滿足了變工況運(yùn)行時(shí)前后壓差變化對(duì)隔板整體強(qiáng)度的要求［4］。

常規(guī)設(shè)計(jì)的高壓級(jí)隔板葉柵中，當(dāng)汽流流過(guò)加強(qiáng)筋時(shí)，靜葉槽道中的加強(qiáng)筋引起的激振力，因沿圓周的汽流速度不均勻而引起對(duì)動(dòng)葉片的激振力，影響轉(zhuǎn)子動(dòng)葉的強(qiáng)度和做功的效率。新型設(shè)計(jì)兩主流葉柵間以及進(jìn)汽邊加長(zhǎng)導(dǎo)流葉柵和主流葉柵間的節(jié)距相同，且型線經(jīng)過(guò)氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證了主流葉柵與導(dǎo)流葉柵受汽流負(fù)載相同，降低了在隔板靜葉柵蒸汽流道中產(chǎn)生沖擊應(yīng)力對(duì)隔板與葉片連接處的強(qiáng)度的影響，有效提高了隔板靜葉柵的整體強(qiáng)度；減少了隔板靜葉柵出口汽流對(duì)于動(dòng)葉片的激振力的影響。不均勻流場(chǎng)引起的動(dòng)葉片的激振力現(xiàn)在很難進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量，只能通過(guò)數(shù)值模擬的方式得到靜葉柵出口的汽流分布情況與相應(yīng)頻率的經(jīng)驗(yàn)曲線進(jìn)行對(duì)照分析，新型隔板靜葉柵出口汽流對(duì)于動(dòng)葉片的高頻激振力（K=1，K=2，K=3）如圖 5 所示。

圖5 靜葉柵出口汽流對(duì)動(dòng)葉片的激振力

通過(guò)有限元分析，隔板的最大主應(yīng)力發(fā)生在靜葉與外側(cè)圍帶連接處附近，且在進(jìn)汽一側(cè)。新型結(jié)構(gòu)由于采用了層流葉型設(shè)計(jì)，主流葉柵葉型的最大厚度Ds3相對(duì)于傳統(tǒng)葉型增加43%～58%，一方面提高了葉柵適應(yīng)汽輪機(jī)變工況運(yùn)行的能力，另一方面增強(qiáng)了主流葉片的剛性。進(jìn)汽邊加長(zhǎng)導(dǎo)流葉柵的寬度Bs1為隔板體寬度B的72%～82%，有效地解決了在運(yùn)行中承受翻轉(zhuǎn)力矩的隔板體內(nèi)外環(huán)由于高壓級(jí)隔板寬度B遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于主流葉柵寬度Bs2的強(qiáng)度問(wèn)題。進(jìn)汽邊加長(zhǎng)導(dǎo)流葉柵與主流葉柵出汽側(cè)內(nèi)背弧型線的一致性，特別是出汽邊厚度Ds2是完全一致的，兩類(lèi)葉柵型線具有相同的最大厚度Ds3，有效提高了隔板葉柵的整體剛度。

新型隔板靜葉柵的兩類(lèi)葉柵的布置方式，如圖6所示。通過(guò)氣動(dòng)計(jì)算分析和試驗(yàn)及隔板體強(qiáng)度分析和試驗(yàn)，主流葉柵的葉片數(shù)n與進(jìn)汽邊加長(zhǎng)導(dǎo)流葉柵的葉片數(shù)N關(guān)系為：2（N-6）≤n≤2N。進(jìn)汽邊加長(zhǎng)導(dǎo)流葉柵安裝角βs1=68°～76°，主流葉柵安裝角βs2=36°～44°，由于其與主流葉柵具有相同的出汽側(cè)內(nèi)背弧型線，所以不論兩類(lèi)葉柵在隔板體周向上如何布置，葉柵通道中任兩只靜葉片間的節(jié)距t都是相等的，且主流流道喉部都是完全相同的，這就保證了蒸汽在動(dòng)、靜葉柵通道中流動(dòng)的穩(wěn)定性。

圖6 進(jìn)汽邊加長(zhǎng)導(dǎo)流柵與主流葉柵型線及布置圖

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)汽輪機(jī)新型高壓級(jí)隔板主流葉柵及進(jìn)汽邊加長(zhǎng)導(dǎo)流葉柵型線的氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)和試驗(yàn)分析，降低了葉型損失，提高了蒸汽在葉柵通道中的流動(dòng)效率，同時(shí)保證了高壓級(jí)隔板葉柵弧段的強(qiáng)度，提高了機(jī)組運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性，該新型隔板靜葉柵已成功應(yīng)用于我公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的超高壓及高溫高壓熱電聯(lián)產(chǎn)沖動(dòng)式汽輪機(jī)的高壓級(jí)段的焊接隔板的靜葉柵，有效提高了高壓缸的效率。