新型中低壓合缸過(guò)渡段隔板的設(shè)計(jì)*

□田偉華 □李文福 □王 鵬 □景 偉 □李胤祺上海汽輪機(jī)廠有限公司 上海 200240

新型中低壓合缸過(guò)渡段隔板的設(shè)計(jì)*

□田偉華 □李文福 □王 鵬 □景 偉 □李胤祺
上海汽輪機(jī)廠有限公司 上海 200240

單流中低壓合缸汽輪機(jī)組中，中壓部分與低壓部分的根徑通常落差大于200 mm。為確保流道光滑，需根據(jù)中低壓合缸結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)新型的過(guò)渡段隔板。詳細(xì)介紹了新型隔板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、氣動(dòng)優(yōu)化等相關(guān)內(nèi)容。結(jié)果表明，新設(shè)計(jì)的隔板是適合單流中低壓合缸過(guò)渡段工況的較好方案，對(duì)同類(lèi)型機(jī)組設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)意義。

目前150 MW等級(jí)汽輪機(jī)產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈，為適應(yīng)市場(chǎng)需求，上海電氣新開(kāi)發(fā)了150 MW模塊，該模塊的開(kāi)發(fā)是為了在海外市場(chǎng)與西門(mén)子、阿爾斯通等企業(yè)展開(kāi)競(jìng)爭(zhēng)，提高上海電氣機(jī)組在國(guó)際市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力。該模塊為全新開(kāi)發(fā)的機(jī)組，在結(jié)構(gòu)上采用高壓缸和單流中低壓合缸的布置方式，與原同等級(jí)系列機(jī)組的高中壓合缸和雙流低壓缸在結(jié)構(gòu)上具有較大區(qū)別。采用單流低壓缸減少了中壓缸排汽損失以及中低壓聯(lián)通管損失，大大降低了機(jī)組熱耗，新開(kāi)發(fā)機(jī)組熱耗水平與西門(mén)子、阿爾斯通這些國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手相當(dāng)，使產(chǎn)品在市場(chǎng)上更具有競(jìng)爭(zhēng)力。采用單流低壓缸結(jié)構(gòu)后，由于中低壓通流部分的根徑不同，在中低壓之間通常會(huì)有一個(gè)明顯的臺(tái)階，如圖1所示。常規(guī)的隔板結(jié)構(gòu)難于滿足設(shè)計(jì)要求，為確保汽道通暢，需根據(jù)中低壓合缸結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)新型結(jié)構(gòu)的過(guò)渡段隔板。

1 過(guò)渡段隔板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

中低壓缸采用合缸單流方案后，中壓段出口根徑為1 406 mm、低壓段進(jìn)口根徑為1 825.18 mm，落差達(dá)到209.59 mm。新設(shè)計(jì)的隔板應(yīng)具備導(dǎo)流降低流道損失的功能，且隔板應(yīng)結(jié)構(gòu)輕巧、加工裝配簡(jiǎn)單。為此，全新開(kāi)發(fā)的過(guò)渡段隔板采用了斜置汽葉，內(nèi)環(huán)采用圓弧輪廓，以保證汽流光順，起到引流作用。為方便加工，內(nèi)、外環(huán)由不同的鋼板拼焊而成，拼焊好的內(nèi)、外環(huán)再與鑄造的斜置汽葉焊接成整圈隔板，隔板結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

圖1 中低壓缸通流示意圖

圖2 隔板結(jié)構(gòu)示意圖

中分面通過(guò)螺栓、墊塊與內(nèi)缸配合，具體位置見(jiàn)圖2，詳圖如圖3所示。隔板底部設(shè)置找中，防轉(zhuǎn)鍵槽與汽缸配合，具體位置見(jiàn)圖2，詳見(jiàn)圖4所示。

2 過(guò)渡段隔板氣動(dòng)及強(qiáng)度設(shè)計(jì)

除了合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)外，優(yōu)化流道、確定斜置靜葉型線是此類(lèi)型隔板設(shè)計(jì)的重要關(guān)注點(diǎn)。為更好地起到導(dǎo)流作用，隔板斜置汽葉采用新開(kāi)發(fā)的大弦長(zhǎng)、前掠式葉型，與臺(tái)階凸跳相呼應(yīng)，內(nèi)環(huán)汽道采用圓弧結(jié)構(gòu)，以進(jìn)一步讓汽流膨脹順暢。汽葉及通道優(yōu)化通過(guò)CFD分析手段完成，計(jì)算模型如圖5所示，斜置汽葉設(shè)計(jì)時(shí)，需滿足通流能力的要求。圖中藍(lán)色和紅色部分分別表示靜葉和動(dòng)葉，通過(guò)CFD手段優(yōu)化內(nèi)、外環(huán)通道輪廓，確定合適的汽葉個(gè)數(shù)，斜置汽葉個(gè)數(shù)為48個(gè)。

圖3 隔板中分面與內(nèi)缸配合示意圖

圖4 隔板底部與汽缸配合示意圖

圖5 模型示意圖

圖6為子午面流線圖，由圖可知，流場(chǎng)均勻，無(wú)明顯流動(dòng)分離，子午面流道內(nèi)汽流徑向分布較均勻。

圖7所示為斜置汽葉級(jí)0.5相對(duì)葉高的相對(duì)馬赫數(shù)云圖及截面速度矢量圖，由圖可知，汽流順暢，沒(méi)有流動(dòng)分離。新設(shè)計(jì)的汽葉前緣比較大，對(duì)沖角的適應(yīng)性比較強(qiáng)，有利于抑制流動(dòng)分離。

圖6 子午面流線圖

通過(guò)對(duì)子午通道和汽葉的不斷優(yōu)化，斜置級(jí)總-總效率（實(shí)際焓降比理想焓降）達(dá)到91.81%，其中斜置汽葉的總-總效率為93.16%。新設(shè)計(jì)的斜置汽葉葉片個(gè)數(shù)較少，使汽道更順暢，有利于級(jí)效率的提高。

新設(shè)計(jì)的斜置汽葉隔板，除具有較好的氣動(dòng)特性外，其隔板剛性較好。通過(guò)有限元分析軟件Abaqus，計(jì)算了其一次載荷（汽流力）與二次載荷（溫度），引起的內(nèi)環(huán)軸向變形（撓度）僅為0.27 mm（如圖8所示）。由于選取合適的螺栓尺寸，所以中分面密封情況良好。

3 結(jié)論

新型中低壓過(guò)渡段采用新開(kāi)發(fā)的帶斜置汽葉的新型結(jié)構(gòu)隔板，汽動(dòng)性能好，隔板總-總效率可達(dá)到93.16%，能夠很好地解決中、低通流根徑不同帶來(lái)的臺(tái)階凸跳過(guò)渡問(wèn)題。新設(shè)計(jì)的隔板結(jié)構(gòu)較輕巧、加工安裝方便，通過(guò)合理的設(shè)計(jì)，隔板剛性好，撓度值小，為順流中低壓合缸過(guò)渡段提供了較好解決手段。

圖7 斜置汽葉0.5相對(duì)葉高的相對(duì)馬赫數(shù)及速度矢量圖

圖8 一次載荷與二次載荷引起的軸向變形Abaqus計(jì)算結(jié)果（最大0.27 mm）

［1］吳厚鈺.透平零件結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度計(jì)算［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1982.

［2］丁有宇.汽輪機(jī)強(qiáng)度計(jì)算手冊(cè)［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2010.

In single-flow steam turbine set with combined IP-LP casing，difference of the root diameters between IP section and LP section is usually larger than 200 mm.In order to ensure smooth flow，new partition for transition section should be developed based on the structural features of the combined IP-LP casing. Diacusced a detailed introduction on the design of bulkhead structure and aerodynamic optimization.The results showthat the newdesign of the bulkhead is a sound solution to solve the transition section of single-flowIP=LP casing and it could provide a certain significance toguide the design of homogeneous units.

汽輪機(jī)；中低壓合缸；隔板；斜置汽葉

Steam Turbine；Combined IP-LP Casing；Bulkhead；Inclined Turbine Blade

TK243

A

1672-0555（2015）04-040-04

*上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)資助項(xiàng)目（編號(hào)：13B1402400）

2015年8月

田偉華（1979-），男，動(dòng)力工程碩士，主要從事汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)工作