某300MW等級汽輪機高壓葉片性能優化設計

王麗華

（哈爾濱汽輪機廠有限責任公司，哈爾濱 150046）

某300MW等級汽輪機高壓葉片性能優化設計

王麗華

（哈爾濱汽輪機廠有限責任公司，哈爾濱 150046）

在對某300MW等級汽輪機機組的改造中，為了提高機組效率將高壓12級壓力級設計改為13級壓力級設計，并將高壓葉型進行優化。文中給出了優化前后葉片性能參數。對比結果表明，通過對葉型的優化設計，極大地提高了汽輪機高壓葉片的性能。

汽輪機；葉片型線；優化設計

0 引言

隨著軸流葉輪機械的廣泛應用及其設計技術的不斷進步，汽輪機葉片設計技術已成為重要的研究領域，其設計水平的高低是制約汽輪機組性能至關重要的因素之一。葉片是汽輪機的核心部件，起到能量轉換的關鍵作用，葉片的設計優劣直接影響到整個機組的性能。以某300 MW等級機組高壓為例，通過對原機組熱力參數和典型級的三維氣動計算分析，發現原設計確實存在一些可以優化之處。首先是高壓各級焓降分配不合理，原來各級焓降分配呈波浪狀。然后是由于U/C1選擇過小，偏離最佳比較遠，使動、靜葉間氣流折轉角很大，橫向二次流損失較大。再者級內和級間匹配較差，存在較大正攻角，攻角損失較大。針對以上缺點，對葉型進行優化。

1 葉片優化前

通過對原機組熱力參數和典型級的三維氣動計算分析，發現原設計存在一些問題。具體如下：

1）各級焓降分配不合理。

根據氣體動力學原理，級的焓降［1］為

其中，u=ωr為輪周速度，而透平葉柵速比χa=U/Ca有最佳值χopt，它變化很小。所以隨葉片平均直徑的增加，級的焓降要增加。但優化前各級焓降分配呈波浪狀，焓降分配并不合理。

2）二次流損失大。優化前各級U/C1選擇的較小，導致各級焓降比較大。同時，優化前的葉型是變截面彎葉片，進汽圓較大。該型線為高載荷葉型，幾何進氣角較小，氣流折轉角大。綜合兩個因素，導致橫向二次流比較強，二次流損失較大。

3）級內和級間匹配較差。以高壓第2級為例，由于U/C1選擇的較小，各級焓降較大，各級動葉出口絕對汽流角和靜葉出口相對汽流角較小，盡管選用了高載荷葉型，仍然存在較大的正攻角，匹配較差，攻角損失較大。分析圖1，動靜葉進汽邊滯止點靠近內弧，正攻角明顯，尤其靜葉。此外，靜葉和動葉進汽圓較大，導致在進汽邊的前緣有比較大的速度滯止區（即端壁處馬蹄渦的鞍點位置提前、強度較大）。

圖1 特征截面馬赫數分布

2 葉片優化過程

在靜動葉優化設計時充分考慮熱力參數分布，保證了級內和級間的匹配。葉型優化設計前，首先對高壓各級靜動葉Dm/L進行計算。計算發現，靜動葉各級Dm/L較大，葉片為短葉片，可以設計成直葉片。所以動葉按直葉片重新設計。Dm/L見表1。

表1 各級靜葉和動葉Dm/L

葉型部分，靜動葉片進汽圓半徑設計明顯減小，進汽圓半徑的減小，使葉片攻角損失明顯降低，速度滯止區變小，進而有利于減小馬蹄渦的強度。將葉型流道重新設計，使流道收縮更均勻，通過對流道的重新設計，使S1流面的馬赫數分布更合理，葉型損失降低。

3 葉片優化前后對比

圖2為優化高壓各級焓降分配對比，優化后焓降分配比較合理，隨著平均直徑增大，各級焓降逐漸增大。

圖2 優化后高壓各級焓降分配對比

圖3 優化前后各級速比對比

圖4 優化前后各級動葉出口絕對汽流角對比

從圖3可以看出，優化后各級速比均有不同程度提高，尤其前幾級。從圖4可以看出各級動葉出口絕對汽流角和靜葉出口相對汽流角均有所增大，更加接近軸向，從而使得氣流折轉角減小。這些因素，最終減小了各級的橫向二次流損失，提高了效率。

圖5、圖6是優化前后第2級流場細節對比。圖7是優化后特征截面馬赫數分布?？梢姡瑑灮螅幸韵绿攸c：1）表面壓力分布更加光滑，從根到頂載荷變化均勻；2）后加載特性更加明顯，原始葉型也是后加載葉型，但是由于焓降大，后加載并不明顯，而且喉部以后逆壓梯度大，逆壓段長；3）匹配明顯改善，基本零攻角；4）優化后進汽圓較小，速度滯止區明顯減小。

4 結語

通過對某300 MW等級汽輪機葉片型線的優化設計，使各級焓降分布更為合理，減少了葉型的攻角損失，使速比更接近最佳速比，S1流面的馬赫數分布更為合理，動葉出口絕對汽流角和靜葉出口相對汽流角均接近軸向出汽，減少了二次流損失。由上可見，對汽輪機葉型進行的優化設計，是提高汽輪機級效率、保證機組的經濟性的有效方法。

［1］王仲奇，秦仁.透平機械原理［M］.北京：機械工業出版社，1988：49.

（編輯 昊 天）

TK264

A

1002-2333（2015）07-0095-03

王麗華（1978—），女，工程師，主要從事汽輪機設計工作。

2015-01-27