大功率汽輪機低壓缸的改進方案

周珩磊

（哈爾濱汽輪機廠有限責任公司，哈爾濱 150046）

1 引言

通過對動力汽輪機結構的分析可以得出結論：汽流在汽輪機通流部分中的軸向流動和它在汽缸進出口處的徑向流動之間存在著矛盾。這就導致汽輪機結構和制造工藝的復雜化。此外，可靠性降低，并在進汽管、分流器及汽缸通流部分前幾個軸流級中出現附加的能量損失。出現這些損失的原因是：（1）由供汽管通過有限的徑向空間進入軸流級的汽流在軸向和徑向不均勻，這種不均勻汽流嚴重影響到低壓的通流部分，對隨后幾級葉片的效率產生不利的影響；（2）核電汽輪機低壓缸中在個別工況下由轉子熱膨脹引起的軸向間隙變化可達到40mm 甚至更大，從而導致通流部分設計流型的重大變化及其組成元件性能的改變；（3）前幾個軸向級隔板汽封有漏汽，以及在分流器后方第一個和隨后幾個軸流級工作汽道中近根區的汽流結構變形，從而降低了其效率。

這些現象在很大程度上使占整個火電汽輪機出力30%～35%或占整個核電汽輪機出力65%的低壓缸成為整個汽輪機級中效率最差的部分。

2 結構方案對比

在汽輪機低壓缸通流部分結構中按已知技術應用了切向進汽和由徑向導葉和軸向葉輪組成的級。根據研究結果，在大功率汽輪機低壓缸中采用這種級的同時，還附加采取了一些改進進汽段的措施，從而使低壓缸效率提高了2%～3%。

這種結構提高經濟性的原因如下：

在按一定規律成型的汽道中汽流狀況較好，能量損失最小；旋轉汽流對環形汽道表面的摩擦力進一步增加了轉子轉矩，因為這些摩擦力方向與旋轉方向一致；

在動葉列入口處形成較均勻的汽流速度場和進汽角，從而減少了動葉柵中的損失。

在幾何參數未經優化的小高度葉片單流模型級上進行的一系列證明，這種由徑向導葉和軸向葉輪組成的級的效率相當高；按滯止參數計算的效率最大值為0.87～0.88。

顯然，這種級的可靠性并不比通常的軸流級差，應用于汽輪機低壓缸通流部分能避免傳統進汽段的缺點。

例如，利用對300MW、500 MW、800MW 汽輪機通用化低壓缸通流部分進行的試驗數據和熱力計算，完成了改進和完善低壓缸的兩個主要結構方案的研究：

“小”改進方案是為了提高以前制造并已安裝在電站上的汽輪機的技術經濟指標；

“大”改進方案是為300MW 和更高功率的汽輪機設計和研制新的完善化低壓缸。

在進行“小”改進時提出：使PCAOK 級的焓降與原低壓缸第一個軸流級的相同：第一個軸流級葉輪的幾何特性沒有變化、但其內輪廓轉角。與原結構相比，每個流向的第一級軸向尺寸縮短了大約115mm，從而能實現下列通流部分改進方案：

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

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

對于“大”改進方案，在下列附加條件下進行了PCAOK計算：

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

所有級的根部直徑與原來相比增大到1730mm；分流器的內輪廓也轉角。

在末級動葉保持原有高度（即960mm）時，不宜把其前幾級葉片的高度大幅度降低，因為這樣會導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，并重新設計其型線，改變動葉中的速比、反動度和汽流入口角。此時，末級排汽面積增大，余速損失減小。

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

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

3 結論

（1）研究和結構研究表明，在汽輪機低壓缸中采用PCAOK 級來提高效率和可靠性是適宜的。

（2）第一個和第二個軸流級改成PCAOK 級，可以使汽缸內部進一步立體化，從而減小汽輪機汽缸的軸向尺寸，或通過改善汽輪機排汽部分的性能和減小通流部分子午面張角來提高效率。