樅樹型葉根間隙漏氣對級性能影響的試驗研究

馮增國，田朝陽

（東方汽輪機有限公司，四川德陽，618000）

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樅樹型葉根間隙漏氣對級性能影響的試驗研究

馮增國，田朝陽

（東方汽輪機有限公司，四川德陽，618000）

摘要：隔板汽封間隙、葉根徑向汽封間隙及樅樹型葉根與輪槽間隙三者之間匹配設計對透平級效率及轉子推力的大小有顯著影響。文章針對某1 000 MW高壓末三級空氣透平試驗進行相關研究，保持隔板汽封間隙、動葉根部徑向汽封間隙不變的條件下，對樅樹型葉根間隙改變前后級性能的變化進行試驗分析。試驗結果表明，葉根間隙封堵后，透平級效率降低，根部反動度升高，轉子推力變大。合理的樅樹型葉根間隙的存在有利于提高級性能，汽輪機通流設計時應注意葉根間隙與隔板汽封間隙的優化匹配。

關鍵詞：樅樹型葉根間隙，流量平衡，級效率，推力，空氣透平試驗

0　引言

汽輪機作為熱能源轉換為機械能的機械設備，提高效率、節約能耗一直是其主要發展的方向，隨著資源短缺、環保要求日益嚴格，對汽輪機經濟性的要求越來越高，向用戶提供高效、低能耗、低污染、低造價的汽輪機成為各國電力裝備業最主要的發展目標［1］。提高汽輪機通流部分流動效率、增加汽輪機熱力循環參數是主要的技術發展方向。

隨著大容量汽輪機機組的發展，葉片載荷不斷增加，而樅樹型葉根具有承載能力大、強度適應性好、拆裝方便等優點［2］，在汽輪機中的應用越來越多，近年來，汽輪機高、中壓級動葉葉根也越來越多地選用樅樹型葉根形式。在沖動式汽輪機組中，樅樹型葉根間隙同時還可以起到平衡輪盤推力的作用，氣體在隔板汽封、徑向根部汽封及樅樹型葉根間隙三者之間流量平衡影響透平級效率及轉子推力大小等性能，在通流設計時需要綜合考慮。

東汽于2009年建成國內唯一的多級空氣透平試驗平臺，顯著增強了其科研試驗能力。為了準確掌握樅樹型葉根間隙對級性能的影響，在該試驗平臺上進行相關的試驗研究，針對某1 000 MW高壓末三級試驗模型，對樅樹型葉根間隙封堵前后級性能的變化進行了分析。

1　三級空氣透平試驗模型

三級透平試驗的通流簡圖如圖1所示，三級動葉片葉根采用同一樅樹型葉根形式。隔板汽封有2個高齒和3個低齒，安裝間隙控制在設計目標值，級間腔室均只布置1個根部徑向汽封齒。

圖1　三級透平試驗通流圖

2　多級空氣透平試驗臺

試驗在東汽多級空氣透平試驗臺（見圖2）上進行，試驗臺可對300 MW、600 MW及1 000 MW汽輪機高、中壓部分進行單級、兩級或三級的綜合性能試驗及詳細流場測試試驗，試驗根徑變化范圍為660～1 000 mm，葉片最長高度為250 mm，試驗最大壓比為2.5。

試驗采用壓縮空氣作為工質驅動透平級旋轉，壓縮空氣流量由文丘里管測量，水力測功器吸收透平級發出的功并調節試驗轉速，得到不同轉速下的綜合性能，采用轉矩轉速傳感器測量轉子扭矩和轉速從而計算透平級實際發出的功率。在各級靜、動葉片根、頂部布置靜壓、溫度測點可以計算得到各級根、頂部反動度。

圖2　多級空氣透平試驗臺

3　試驗結果及分析

試驗對樅樹型葉根間隙封堵前后透平級的綜合性能進行研究，表1為試驗參數，得到2次試驗級效率、轉子軸向推力、第2級反動度及級流量系數隨速比的變化曲線。

表1　試驗參數

3.1封堵樅樹型葉根間隙對級效率的影響

圖3為樅樹型葉根間隙封堵前后級效率隨速比的變化曲線，由圖3可知，葉根間隙封堵后級效率有明顯的下降，下降約0.4%，隨著速比的增加，效率下降的幅度有所減緩，相對速比為1.2時，效率僅降低約0.2%。這是因為將樅樹型葉根間隙封堵后，從隔板汽封泄露的氣體全部由根部徑向汽封進入主流，擾亂了根部氣流的流動，導致級效率降低，隨著轉速的升高，反動度增加，隔板兩側壓比減小，隔板汽封的漏氣量減少，因此對級效率的影響有所減弱，而葉根間隙的存在使得該部分氣流直接通過葉根間隙流過，改善了級間根部主流的流動情況，提高了氣流的做功能力，級效率增加。

圖3　級效率隨速比的變化曲線

3.2封堵樅樹型葉根間隙對反動度、轉子推力的影響

圖4、圖5分別為樅樹型葉根間隙封堵前后第2級根、頂部反動度和轉子軸向推力隨速比的變化曲線。由圖可知，葉根間隙封堵后，根部反動度增加約28.9%，頂部反動度基本沒有發生變化，轉子軸向推力變大，推力增大約28.2%。

封堵葉根間隙后，隔板汽封的漏氣全部通過徑向汽封混入主流，引起根部靜壓增加、動葉流量變大，動葉焓降升高，反動度增大。該部分氣流主要影響根部流動，因此頂部反動度沒有發生明顯變化。

轉子推力由動葉片上的軸向力、輪盤兩側表面上的推力差及隔板汽封處轉子軸向推力三部分組成［3］。葉根間隙封堵引起級間靜壓的增加導致葉輪兩側壓差變大，作用在動葉片及輪盤上的推力均增加，所以轉子推力變大。

圖4　根、頂部反動度隨速比的變化曲線

圖5　轉子軸向推力隨速比的變化曲線

3.3封堵樅樹型葉根間隙對級流量的影響

圖6　葉根間隙流量系數隨速比的變化曲線

4　結論

通過本文對樅樹型葉根間隙封堵前后2次透平級綜合性能隨速比的變化可知，樅樹型葉根間隙的存在使隔板汽封的漏氣能夠全部從葉根間隙流過，同時還能使一部分級間根部主流通過徑向汽封泄漏掉，使得葉輪及動葉片兩側壓差減小，根部反動度降低，轉子軸向推力變小，級流量系數增加，由于改善了級間根部氣流的流動，氣流做功能力增強，所以級效率有所提高。

參考文獻

［1］黃甌，陽虹，彭澤瑛，等.我國超超臨界汽輪機的發展方向［J］.熱力透平，2004，33（1）:1-7，45.

［2］中國動力工程學會.火力發電設備技術手冊:第2卷:汽輪機［M］.北京:機械工業出版社，2007.

［3］蔡頤年.蒸汽輪機［M］.西安：西安交通大學出版社，2006.

Experimental Study on Effects of Leakage to Stage Performance in Gap of Fir Tree Blade Root

Feng Zengguo，Tian Chaoyang
（Dongfang Turbine Co.，Ltd.，Deyang Sichuan，618000）

Abstract:The flow balance in diaphragm gland gap，redial steam seal gap and gap between fir tree blade root and slot influenced the tur?bine stage efficiency and thrust of the rotor.In this paper，a research on the last three stages of one 1 000 MW high-pressure turbine was made on the air turbine test bench，changes of stage performance were analyzed with and without gap in fir tree blade root.The result showed that the turbine stage efficiency was reduced，root reaction and the thrust of rotor were increased without gap in fir tree blade root. So it was beneficial for having gap in fir tree blade root，the design of gap in fir tree blade root should be considered in flow design.

Key words:gap in fir tree blade root，flow balance，stage efficiency，thrust，air turbine test

中圖分類號：TK266

文獻標識碼：A

文章編號：1674-9987（2016）02-0011-03

DOI:10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2016.02.003

作者簡介：馮增國（1977-），男，2001年畢業于大連理工大學，現主要從事汽輪機通流部分的氣動分析和試驗研究工作。