大功率汽輪機的低壓缸設計

段森， 畢雪

（哈爾濱汽輪機廠有限責任公司，哈爾濱 150046）

0 引言

現代低壓汽輪機設計的好壞，應采用汽缸效率、標準化程度和投資成本的綜合指標進行評估。譬如，僅僅用汽缸效率來衡量就不太合適，必須考慮低壓部分對整個汽輪機可靠性的影響，同時對可能增加的研發和制造成本與得到的效率增益進行比較來評估。

低壓汽輪機設計中，經濟性最優化問題的解決總是不理想。雖然增加末級動葉的長度能夠提高汽輪機的功率和效率，但汽缸和轉子尺寸的增大，將對原材料采購、加工、檢驗、運輸、安裝和產品安全性能都會產生重大影響，甚至使更大的低壓汽輪機開發陷入瓶頸而無法突破。

1 低壓汽輪機設計

各大汽輪機制造廠都有標準的低壓汽輪機系列，由于發展新的低壓汽輪機成本很高，因此很早就采用了標準化設計，這樣只要對標準的低壓汽輪機作有限的調整就能滿足用戶的要求。實際上，標準的低壓汽輪機具有不變的轉子尺寸、不變的外缸和不變的末級葉片，通常只需要調整前若干級的葉片高度，使其與所需功率要求的流量相匹配。除了上述的設計，如果要開發新的低壓汽輪機，需要考慮如下因素：

1.1 冷端優化

冷端優化是在給定的環境條件下，經過技術經濟性分析，尋找其最優解，即考慮低壓汽輪機、凝汽器、冷端低壓加熱器和循環冷卻水系統以及真空系統等所有和運行費用相關的參數，最終目標是為了確定最佳凝汽器真空值和最佳循環水量。而對于低壓汽輪機來說，也就確定了最佳的排汽背壓和總排汽面積。

1.2 末級動葉片尺寸

在低壓缸數目給定時，最有利的排汽面積可根據功率曲線來選擇，并根據標準的母型葉片來模化合適的動葉片高度h和平均直徑Dm。另外，為了得到盡可能緊湊的設計，h/Dm一般選取0.33～0.37，再考慮到轉子鍛件的限制，該比值甚至增加到0.4左右，但較大的比值會增加氣動設計的難度和葉片振動的危險性。

1.3 低壓進汽口壓力

1）火電機組。大容量火電機組的低壓汽輪機分流數通常至少為中壓汽輪機分流數的2倍，這是由于進入低壓汽輪機的比容急劇增大和末級動葉片高度限制的緣故。透平級效率可以表示為容積流量系數k的函數（見圖1），k 定義如下：

式中：V為所研究級的容積流量；r為平均動葉直徑；u為平均圓周速度。

按照常規設計，低壓進汽平均直徑要大于中壓排汽平均直徑，而容積流量又是中壓的一半，因此低壓汽輪機進口級的k值比中壓排汽級的要小。因此，降低低壓缸進汽壓力對經濟性比較有利，而且還能改善低壓內缸的運行環境。現在某汽輪機制造商已經將低壓進汽壓力降至0.5MPa左右。

圖1 沖動式和反動式的級效率

2）核電機組。核電機組的低壓汽輪機與火電機組采用相同的分析方法。但是必須注意，核電機組的蒸汽參數比較低，其容積流量非常大，因此核電機組的低壓缸進口壓力對總成本的影響很大。針對只有高壓和低壓汽輪機的核電機組，在其優化設計中，應考慮汽水分離再熱器（MSR）、MSR與低壓缸之間的管道、再熱閥門以及汽機房的成本。隨著低壓缸進口壓力下降，并考慮取較低的流速而獲得較大的分離效率和較低的壓力損失，MSR的尺寸及其成本增加很大，汽機房要求空間也大，目前最佳的低壓進口壓力在1.0～1.4MPa之間。

除了開發高流速、尺寸更緊湊的MSR外，設置中壓汽輪機使低壓進口壓力進一步降低，即采用高、中壓單流汽輪機，可使機組效率進一步提升，但高中壓汽輪機的設計和管道布置的難度非常大。

2 低壓汽輪機設計中的特殊問題

除上述討論的對低壓汽輪機設計影響的若干因素外，還存在某些特殊的設計問題。

2.1 機座型式

現在的機座型式主要有剛性機座和彈性機座兩種模式，所謂剛性機座就是運轉層平臺與支撐柱是一體澆筑的；而彈性機座的運轉層平臺與支撐柱是分開的，并采用彈簧隔振器隔離。為了適應不同的機座型式，低壓缸與凝汽器的連接方式、凝汽器的支撐方式、凝汽器通過低壓缸施加給機座的負荷都是需要注意的。各種現代的低壓缸與凝汽器的布置方式見表1。

表1 現代的低壓缸與凝汽器的各種布置方式

2.2 低壓進汽結構設計

低壓進汽結構一般需要考慮兩個問題，一是進汽位置的設計，另一個是進汽殼的設計。

圖2

1）進汽位置。對于大功率汽輪機，由于其經常處于滿負荷運行狀態，因此電廠為了縮短檢修周期，越來越重視汽機檢修的簡化。鑒于這種要求，低壓汽輪機的進汽位置處于缸體下半就具有更多的吸引力，這種設計不需要拆除進汽管道就可進行低壓內缸的檢修，見圖2（a）和 圖 2（b）。

2）進汽殼。對于常規的進汽方式，汽流發生截面突變和方向的改變，并存在部分汽流對撞，故進入葉片的汽流是不均勻的。因此，這種進汽殼會產生較高的流動損失，只有流速較低時才能使其限制在允許的范圍內。但采用較小的流速，就需要設計較大的進汽殼尺寸，但低壓內、外缸的設計就會變得困難。

現代的某些大型低壓汽輪機根據仿生學技術，設計了蝸殼進汽結構，這種蝸殼可以避免進汽殼的流動損失，使汽流平滑地流向葉片并允許較高的流速。在采用這種蝸殼設計時，必須要研究低壓進汽的位置，見圖2（c）。

3 結論

開發新的低壓汽輪機，應按照經濟最優化的原則進行分析。只有對汽輪機效率、機組安全性和所有研究的總成本進行綜合性評估，才有可能獲得最佳的效果。另外，考慮到用戶對檢修周期和機座型式的需求，簡化低壓缸安裝和拆卸程序，研究適應性更強的低壓缸和凝汽器布置方式也是很重要的。