樅樹型葉根間隙流量系數試驗研究

田朝陽

(東方汽輪機有限公司，四川德陽，618000)

樅樹型葉根間隙流量系數試驗研究

田朝陽

(東方汽輪機有限公司，四川德陽，618000)

隨著大型汽輪機機組的不斷推廣，樅樹型葉根形式得到越來越多的應用。樅樹型葉根流量系數的選取是否正確影響到汽輪機級間的隔板汽封、根部徑向汽封和樅樹型葉根三者的流量平衡，從而影響到樅樹型葉根間隙的設計，影響到機組推力和效率的準確性。為了準確掌握樅樹型葉根流量系數的取值方法，文章在公司汽封試驗臺上采用試驗的方法得到了樅樹型葉根流量系數隨轉速、壓比的變化曲線，為熱力計算和工程應用提供了準確的參考。

樅樹型葉根，流量系數，轉速，壓比，變化曲線

1 前言

隨著低碳經濟的發展，對汽輪機經濟性的要求越來越高，而火電行業在“上大壓小”政策的導向下也積極推進產業結構的優化升級，大容量、高參數的汽輪機機組得到廣泛推廣[1]。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，樅樹型葉根間隙可以改善級間氣流流動，同時還可以起到平衡輪盤推力的作用，因此，樅樹型葉根流量系數的選取是否正確影響到汽輪機級間的隔板汽封、動葉根部徑向汽封、樅樹型葉根三者的流量平衡，從而影響到樅樹型葉根間隙的設計，影響到機組推力和效率計算的準確性。目前，國內尚未發現有關樅樹型葉根間隙流量系數研究的相關信息，因此，在熱力計算時，樅樹型葉根間隙流量系數的取值不明確，而流量系數取值的不同會造成機組推力、效率的計算結果差異很大，所以，在設計汽輪機時尤其是自主設計大型汽輪機機組時較為困難。

為了準確掌握樅樹型葉根流量系數的取值方法，在公司產品試驗室的汽封試驗臺上采用試驗的方法得到了樅樹型葉根流量系數隨轉速、壓比的變化曲線，為熱力計算和工程應用提供了準確的參考數據。

2 樅樹型葉根漏氣模型

樅樹型葉根與輪槽配合如圖1所示，轉子旋轉狀態下，樅樹型葉根受到離心力的作用使得葉根工作面貼合，其他非工作面與輪槽存在間隙，在葉輪兩側壓差的作用下就會產生氣體泄漏。

圖1 樅樹型葉根與輪槽配合圖

樅樹型葉根及輪槽間隙氣體流動的模型比較復雜，其中型線部分氣體的流動類似于偏心環形縫隙流動，而型線根、頂部及相鄰葉根中間體之間的流動又與平板間隙流動類似，通過的流量與縫隙值的三次方成正比，間隙值的大小對泄漏量的影響很大[3]，因此，在數值計算時實際流動模型的建立較為困難，需要通過試驗的方法不斷修正計算模型，提高計算的準確性。

3 試驗方法

試驗在公司汽封試驗臺上進行，汽封試驗臺系統圖如圖2所示。采用壓縮空氣作為工質進行試驗，風源由2臺2 500 kW和2臺630 kW的鼓風機提供，壓縮空氣出口溫度最高120℃，流量最大可達1 800 m3/min，壓力最大273 kPa。空氣經鼓風機出口進入儲氣罐，再經流量計進入試驗臺本體，最后從試驗臺本體中的汽封裝置和葉根間隙排入大氣。汽封裝置和葉根間隙是氣體經放空閥后的唯一出口，因此，流量計所測氣體流量即為汽封間隙和葉根間隙在某工況下的漏氣量，再通過溫壓補償即可計算出質量流量。試驗轉子在變頻電機的拖動下可在0～6 000 r/min范圍內運行，儲氣罐后設有放空閥用來調整進氣壓力，改變試驗壓比，完成不同轉速、不同壓比下的性能試驗。

圖2 汽封試驗臺系統圖

由于葉輪為旋轉部件，葉輪與靜子存在動靜間隙，無法直接測量得到葉輪上葉根間隙的漏氣量，所以需要將試驗分為兩步完成，如圖3所示。首先用密封膠將葉根間隙密封，試驗測得的流量為隔板汽封流量G1，也為動葉根部徑向汽封的流量G3，即G1=G3，根據各處的靜壓測量值可推算出在不同工況下隔板汽封和動葉根部徑向汽封的流量系數；然后去掉密封膠，汽封間隙保持不變，在相同進出口壓比下，試驗測得的流量為隔板汽封流量G1（與第一階段值不一樣），由于級間腔室壓力可能與第一階段值不一樣，動葉根部徑向汽封的流量G3通過第一階段得到的流量系數插值求得，而通過葉根間隙的流量即為G2=G1-G3，根據各處的靜壓測量值可推算出在不同工況下葉根間隙的流量系數。

圖3 流量系數試驗原理圖

流量系數計算公式見式（1）。

式中：G為實際所測漏氣量；F為漏氣面積；z為高低齒的總齒數，徑向汽封、樅樹型葉根間隙取z為1；P2為間隙后汽流的靜壓；P0為間隙前汽流的總壓；T0為間隙前汽流的總溫；ρ0為間隙前汽流的密度；R為氣體常數。

4 試驗結果及分析

試驗時選取某1 000 MW高壓級動葉葉根型線作為模型進行全尺寸試驗，試驗參數如表1所示。根據上述試驗方法分別進行了變轉速和變壓比試驗，試驗得到的樅樹型葉根流量系數隨轉速、壓比的變化曲線如圖4和圖5所示。

表1 葉根試驗參數

圖4 樅樹型葉根間隙流量系數隨轉速的變化曲線

圖5 樅樹型葉根間隙流量系數隨壓比的變化曲線

根據試驗結果可知，樅樹型葉根間隙流量系數隨轉速的升高略微變大，轉子旋轉引起的切向力似乎對氣流泄漏沒有起到相應的抑制作用，然而在數值計算時發現，隨著轉速的升高，葉根及輪槽均發生不同程度的變形，如圖6所示，該變形引起樅樹型葉根間隙變大，導致漏氣面積比實際漏氣面積有所增加，而轉子旋轉所產生的切向力對氣流泄漏的影響比較小[4]，所以葉根間隙流量系數隨轉速的升高有所增大，相對轉速從0到1，流量系數增加約8.7%。

由圖5可知，隨著壓比的增加，葉根間隙流量系數變大，相對壓比為1.01～1.1時相對流量系數從0.86增至0.99，增加約15.1%，相對壓比達到1.1后，流量系數基本不再變化。圖中還列出平衡孔（漏氣面積2 454 mm2）的流量系數隨壓比的變化曲線，和平衡孔流量系數相比，樅樹型葉根間隙流量系數較小，僅為平衡孔流量系數的60%左右，因此，在葉根間隙設計時應給予充分考慮。

Experimental Study on Flow Coefficient of Fir-tree Blade Root

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

With the promotion of large-scale steam turbine,the form of fir-tree blade root is used more and more widely.The selection of flow coefficient influences the flow balance in diaphragm gland,radial steam seal and fir-tree blade root,influences the gap of fir-tree blade root and the accuracy of turbine efficiency and thrust.In order to grasp the method of flow coefficient in firtree blade root accurately,an experiment on steam seal test bench of Dongfang Turbine Co.,Ltd.is made to get the curve of flow coefficient with the speed and pressure ratio.This provides an accurate reference for the thermodynamic calculation and engineering applications.

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TK262

A

1674-9987（2015）04-0006-03

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2015.04.002

田朝陽（1985-），男，工學學士，工程師，畢業于華中科技大學，現主要從事氣動試驗研究工作。