某型汽輪機排氣總壓探針設計研究

袁 帥 孫 琪 王曉良 劉忠奎 劉 巖

(中航工業(yè)沈陽發(fā)動機設計研究所，遼寧 沈陽 110015)

某型汽輪機排氣總壓探針設計研究

袁 帥 孫 琪 王曉良 劉忠奎 劉 巖

(中航工業(yè)沈陽發(fā)動機設計研究所，遼寧 沈陽 110015)

為了分析冷凝式汽輪機的氣動性能,改進優(yōu)化排氣部件,提高整機效率，對排氣缸出口的總壓氣動參數進行測試具有重要意義。針對某型汽輪機排氣總壓的測試需求，結合功能性與可靠性，專門設計了一種適合水蒸氣測量的總壓探針。研究了探針測試安裝的密封形式以及被測介質的冷卻方法等設計關鍵，對主體結構強度進行了詳細分析。最后，利用亞音速風洞對整支探針進行了分段連續(xù)地氣動校準，校準結果表明探針精度滿足測試使用，為某型汽輪機的排氣總壓測試提供了工程急需的技術手段。

汽輪機 蒸汽壓力 總壓探針 結構設計 校準

0 引言

一直以來，汽輪機都是能源電力和交通運輸等領域的主要動力裝置，隨著社會能源與環(huán)境問題的日益凸顯，現役數量龐大的老式機組所暴露出的效率低、性能差等缺陷與當前經濟社會發(fā)展的主題和需求嚴重不符，迫切需要對其升級改造[1]。排氣缸作為凝氣式汽輪機的重要組成部件，從李殿璽等[2]和李軍等[3]對排氣缸研究現狀與技術進展進行的綜述可見，對其氣動性能的分析成為國內外研究人員關注的焦點。由陳勝利[4]等和方守印[5]等關于排氣壓力對汽輪機運行的影響分析可知，排氣總壓氣動參數是關系到部件及整機改進優(yōu)化的重要依據。相對國外而言，國內由于不具備這一測試關鍵技術，一直影響著研制進程。例如由于缺乏對某型汽輪機出口蒸汽總壓的測試條件，所以只能在空氣環(huán)境下進行一些整機模擬試驗。為此，本文給某型汽輪機專門設計了一種適合全蒸汽試驗的總壓測試探針，為某型汽輪機的研發(fā)提供了不可或缺的測試保障。

1 關鍵技術研究

某型汽輪機排氣缸出口總壓測試要求對測試探針的設計給出了如下參數：①水蒸氣環(huán)境濕度(1-x)=15%；②總壓P*=0.25 kg/cm2(換算為25 kPa)；③總溫T*=100 ℃(換算為373.15 K)；④流速v=70～300 m/s。

由空氣動力學基礎[6]可知，音速c與氣體性質及氣體溫度有關，即：

(1)

式中：k為絕熱指數；R為氣體常數。

馬赫數M與氣流速度v的關系為：

M=v/c

(2)

查閱水蒸氣性質表可知：過熱蒸汽k=1.3；飽和蒸汽k=1.035+0.1x(x為蒸汽干度)；蒸汽R=461.5J/(kg·K)。通過計算可得，待測環(huán)境的馬赫數為M=0.68，因此可確定測試探針的設計類型為亞音速總壓探針。

根據排氣口流道內介質和流場的特點，從長期的蒸汽侵蝕和相對均勻的流場實際出發(fā)，探針測點的設計形式采用不敏感角相對偏小、內置于支桿的半球窩形。該結構可以減少外部焊接及工藝槽尺寸，提高焊口對水蒸氣侵蝕破壞的耐受性，保證測試的可靠性并延長探針使用壽命。

1.1 接口密封形式

一般航空發(fā)動機的整機或部件流道內為高壓空氣或燃氣介質，給測試探針預留的安裝接口尺寸相對較小，普通密封等級即可滿足要求。而某型汽輪機的插入式測量與以往航空發(fā)動機的插入式測量不同，冷凝式汽輪機特有的工作原理決定其排氣缸的排氣口至冷凝器一段為負壓流路。如果測試探針在安裝部位發(fā)生壓力泄漏，就會對汽輪機的穩(wěn)定運行帶來影響，輕者降低效率，重者直接加速低壓部件的勞損，所以安裝接口的密封技術是設計探針需要特殊考慮的，必須符合待測介質的密封要求。

工業(yè)上機械密封分為靜密封和動密封，探針與整機之間屬于靜密封連接。靜密封又分為墊片密封、自緊密封、膠密封、填料密封、密封圈密封、螺紋密封和研合面密封等。除了在壓力和密封性要求較高的情況下，使用密封圈密封(按密封圈國標件尺寸配加工矩形密封槽)較多以外，一般簡便可行的墊片密封技術使用相對更為廣泛。為此，探針接口的局部設計采用墊片密封方案。

在墊片密封設計中，根據密封介質的溫度、壓力和理化特性，通過選擇不同的密封結構和密封墊材料，并施加足夠的壓緊力來消除泄漏，達到密封效果。對于密封結構而言，六孔圓形法蘭的壓緊點分布均勻，安裝形面與測試開孔貼合效果好，被確定為測試探針密封墊的壓緊結構。石棉橡膠板是使用量最大的密封墊材料。根據性能及途徑的不同，它可分為高壓石棉橡膠板、中壓石棉橡膠板和低壓石棉橡膠板，主要適用于水、蒸汽、空氣、氣體/液體氨及惰性氣體，其使用條件如表1所示[7]。綜合考慮測試探針實際工作環(huán)境，密封墊選用低壓石棉板XB150，可滿足對某型汽輪機蒸汽介質流路負壓環(huán)境的測試開孔密封。

表1 石棉橡膠板類型和使用范圍(參見GB/T 3985-2008)

1.2 蒸汽冷卻方法

排氣總壓測試探針作為一次儀表的前端受感部，其后需要與壓力掃描閥連接。常用的Scanivalve掃描閥使用溫度為0～70 ℃，因此某型汽輪機排氣口蒸汽由探針引出后需要降溫冷卻，保證待測介質溫度在掃描閥允許的溫度范圍內。

蒸汽冷卻的方法很多，常見的形式有通水或通氣的冷凝罐。在沒有特殊要求的情況下，更為簡單易行的方案是直接利用一段冷卻導壓管，在引壓的同時達到冷卻的目的。李汶蔚等[8]對比了幾種不同內壁結構冷卻管的應急換熱特性，并做了一些關于換熱系數關系和系數變化規(guī)律的試驗，結果表明：在特定條件下，內壁帶肋結構的冷卻管換熱系數是光壁管的3倍左右。這里鑒于內壁肋結構的加工復雜性，可以考慮結構類似的外壁肋冷卻管，或一定長度的光壁管來達到降溫目的。趙武等[9]對冷卻導壓管長度與過熱蒸汽冷卻之間的關系進行了較為詳盡的分析，為管長估算提供了方法。

由流體力學基礎可知，冷卻導壓管內的水蒸氣相對靜止，處于一種動態(tài)平衡狀態(tài)，其冷凝過程可劃分為L1、L2和L3三段，如圖1所示。L1段為過熱蒸汽轉為飽和水蒸氣的過程；L2段為飽和水蒸氣恒溫放出潛熱，生成同溫冷凝水的過程；L3段為冷凝水降溫的過程。

圖1 冷卻管換熱原理圖

由某型汽輪機排氣口給定的蒸汽特性參數可見，該處蒸汽仍處于濕飽階段，尚未達到過熱蒸汽的程度，所以冷卻狀態(tài)主要處于L2段和L3段。根據吸熱速率與散熱速率相等的能量守恒原則，建立L2和L3兩部分的平衡狀態(tài)方程。

① L2段散熱途徑為先導管傳熱后空氣散熱以及L3段吸熱，則有:

(3)

式中：ΔT為熱傳溫差；R2為L2段等效串聯(lián)熱阻，求法同L3段R3。

吸熱來源為保證飽和水蒸氣不冷凝成水的冷凝潛熱，則有:

Q2吸=r潛熱ρ水蒸汽V

(4)

②L3段散熱途徑與L2段的前部分相同，即先導管傳熱后再與空氣進行對流與輻射聯(lián)合散熱，則有:

(5)

L3段吸熱來源為L2段通過蒸汽和導管兩路介質的導熱，由平壁截面的傳熱公式Q=SλΔT/δ可得到Q3吸，其中截面厚度δ即為待定的L3段管長l3。對于蒸汽和導管而言，公式中除了接觸面積S不同以外，其余變量均相同。

根據航空發(fā)動機的測試經驗，冷卻導壓管選用尺寸規(guī)格為φ6×1、導熱系數λ=350W/m·℃的紫銅管，將上述①和②中的兩個平衡方程聯(lián)立，可計算出滿足掃描閥的使用溫度范圍，使100 ℃的水蒸氣降溫至70 ℃以內所需冷卻導壓管長度的最小值，即為L2與L3兩段的長度和。

冷卻導壓管兩端分別采用球頭壓帽與內錐外螺紋的對接結構，與測試探針和壓力掃描閥連接。這種對接方式可以做到無泄漏引壓，保證管內壓力處處相等，消除導壓管內因冷卻產生的冷凝水對壓力測量值的干擾。

2 主體結構設計與強度校核

某型汽輪機排氣缸出口總壓測試要求還對測試探針設計提出了如下尺寸要求：①蒸氣排氣口尺寸1 200mm×900mm，在930mm內均布16個測點；②內部結構提供兩個支撐點，相互之間及與排氣口內壁距離均為l′=300mm；③預留測試安裝孔尺寸φ50mm。

根據強度和堵塞比兼顧的設計原則，該測試探針的大跨度支桿由1Cr18Ni9Ti材料的圓管沖壓成扁平狀圓桿。這種圓桿形截面的氣動性能更好，強度也比去除材料加工而成的圓桿更加優(yōu)越。

在測試探針支桿形式確定以后，按支桿實際伸入流道的長度L(930mm)進行強度校核。該全尺寸大跨度探針的裝夾形式不同于常規(guī)單懸臂和一固一支的雙支點安裝方式，是有兩個簡支點的三支點固定方式，其力學模型可以簡化為一固兩支的超靜定問題。解決的方法就是選擇性去除過約束，列出形變平衡方程，求出替代過約束的支反力。其總受力模型可以看成雙支點和單懸臂兩種簡單載荷作用的疊加，如圖2所示。

圖2 單懸臂與雙支點簡單載荷受力圖

圖2(a)中，m與P為單懸臂載荷的等效彎矩與作用力。根據兩個簡單載荷的撓度公式[10]，列簡支點A處的撓度平衡方程：

(6)

式中：q為桿長L單位長度所受的氣動力；EI為抗彎剛度、彈性模量與慣性矩的合稱；l=2l′，得到支反力FA。

然后對固支點列靜力矩平衡方程，可求簡支點B上的作用力FB，隨即可畫出總模型的剪力與彎矩圖，如圖3所示。

圖3 總模型的剪力與彎矩圖

最大應力值為彎矩M極大值與該處抗彎截面模量W之比，即：

(7)

綜合上文所述的測點、安裝面以及本節(jié)所討論的支桿，某型汽輪機排氣出口半球窩式總壓測試探針的總體結構如圖4所示。

圖4 總壓探針結構圖

3 氣動校準

測試探針加工完成后，為保證在某型汽輪機試驗過程中測得的數據準確可靠，需要對其進行氣動校準。由于汽輪機流道內環(huán)境介質為水蒸氣，校準工作也應在濕蒸汽風洞下進行。

早在20世紀80年代，歐洲就有探針標定的試驗小組開展過風洞標定的對比性研究工作。汪麗莉[11]等對德國斯圖加特大學流體機械研究所所做的關于氣動測試探針在空氣、濕蒸汽及過熱蒸汽風洞下的標定試驗進行了詳細介紹。通過試驗數據的對比，得出了以下結論：可用空氣風洞取代復雜的過熱蒸汽或濕蒸汽風洞，且無論空氣風洞是封閉或開放式，較大的噴口直徑都有利于減小因風洞類型不同而產生的影響。這為本文探針校準的化繁為簡提供了參考依據。

在開放式亞音速空氣風洞進行探針校準的過程中，由于為某型汽輪機設計的全尺寸大跨度探針長度較大，故對整支探針采用逐點連續(xù)校準的方法，在±15°角度偏轉5°調節(jié)的條件下，隨機截取了某測點的校準數據。表2給出的是馬赫數M=0.5時，測點7校準總壓及誤差。從數據結果可以看出，測點精度在0.3%以內，探針氣動性能良好，滿足測試準確度要求。

表2 M=0.5測點7校準總壓及誤差

4 結束語

本文分析了某型汽輪機的待測介質特性及測試工作環(huán)境，在綜合氣動測試、傳熱學和工程力學等多學科的基礎上，從工程實際出發(fā)，專門針對某型汽輪機排氣出口設計了一種排氣總壓測試探針，為汽輪機的試驗運行提供了必需的測試手段。當然，某型汽輪機測試用全尺寸大跨度探針的設計和使用尚屬首次，其測試結果包括文中提及的冷凝水對測壓值存在的影響及預防措施都有待檢驗。同時，其他可能存在的隱性問題還需要隨著某型汽輪機試驗的不斷推進，在后續(xù)測試過程中不斷顯露，并結合技術狀態(tài)和數據分析逐步改進完善。

[1] Smiarowski M W.Steam turbine modernizations at operating fossil plants:an approach to maximize efficiency and optimize coal power plants[C]//Proceeding of the ASME 2011 Power Conference,Denver Colorado USA,2011:12-14.

[2] 李殿璽，樊軼，金潔敏，等.汽輪機排氣缸的氣動研究進展[J].熱能動力工程，2006,25(9):445-449.

[3] 李軍，李志剛，晏鑫，等.大功率低壓排氣缸排氣性能分析和氣動設計的研究進展[C]//中國動力工程學會透平專業(yè)委員會2012年學術研討會論文集，江蘇：無錫，2012:1-16.

[4] 陳勝利，荊濤，李高潮，等.排氣壓力對汽輪機運行優(yōu)化試驗結果的影響研究[J].熱力發(fā)電，2013,42(4):28-30.

[5] 方守印，楊寶成.汽輪機低壓排汽缸排氣壓力的變化對汽輪機運行的影響[J].汽輪機技術，2013,55(6):471-473.

[6] 錢翼稷.空氣動力學[M].北京：北京航空航天大學出版社，2004:190-196.

[7] 崔建昆.密封設計與實用數據速查[M].北京：機械工業(yè)出版社，2010:32-33,121-123.

[8] 李汶蔚，孫立成，李勇.豎直管內蒸汽冷凝強化換熱特性研究[C]//中國核科學技術進展報告(第二卷)——中國核學會2011年學術年會論文集第3冊(核能動力分卷(下))，貴州：貴陽，2011:573-578.

[9] 趙武，何岳，王震利，等.在蒸汽測量中彎管流量計采用水平導壓管取代冷凝罐[J].河北理工學院學報，2005，27(2):98-101.

[10]王守新.工程力學[M].北京：化學工業(yè)出版社，1998:159-161.

[11]汪麗莉，蔡小舒，蘇海林.集成探針氣動部分的風洞標定[J].上海汽輪機，2002(4):27-31.

Research on the Design of the Probe Measuring the Total Pressure of Exhaust of Certain Type of Steam Turbine

In order to analyze the aerodynamic performance of condensing type of steam turbine, improving and optimizing the exhaust part, thus enhancing overall efficiency are significant for testing aerodynamic parameters of total pressure at exhaust outlet. In accordance with the test requirement of total pressure of exhaust, and combining with functionality and reliability, the probe suitable for steam measurement is specifically designed. The key of design, e.g., the seal form of the probe test and installation and the cooling method of the measured media are researched, and the main structural strength is analyzed in detail. Finally, by adopting subsonic wind tunnel, aerodynamic calibration of the entire probe is conducted piecewise and continuously. The calibration result demonstrates that the accuracy of the probe meets test use; it provides technical measure for engineering emergency needs in total pressure of exhaust of certain type of steam turbine.

Steam turbine Steam pressure Total pressure probe Structural design Calibration

袁帥(1985-)，男，2010年畢業(yè)于大連理工大學機械電子工程專業(yè)，獲碩士學位，工程師；主要從事氣動測試儀表設計研究。

TH812

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201504015

修改稿收到日期：2014-08-27。