超超臨界汽輪機(jī)部件冷卻技術(shù)的研究

閔愛妮　左希娥

摘 要：文章對冷卻技術(shù)在超超臨界汽輪機(jī)部件中應(yīng)用的重要性，然后對超超臨界汽輪機(jī)部件冷卻結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)進(jìn)行分析，并對超超臨界汽輪機(jī)部件冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：超超臨界；汽輪機(jī)部件；冷卻技術(shù)

1 冷卻技術(shù)在超超臨界汽輪機(jī)部件中應(yīng)用的重要性

隨著我國科技的發(fā)展，越來越多的新材料應(yīng)用到超超臨界汽輪機(jī)組中，使得超超臨界汽輪機(jī)再熱蒸汽溫度以及主蒸汽溫度明顯上升。蒸汽冷卻技術(shù)主要是利用低溫蒸汽對超超臨界汽輪機(jī)相關(guān)部件進(jìn)行冷卻處理，降低相關(guān)部件的工作溫度，其中轉(zhuǎn)子、噴嘴室、汽缸等超超臨界汽輪機(jī)部件，利用蒸汽冷卻技術(shù)，不能提升這些部件材料等級，同時延長了其使用壽命。汽輪機(jī)在啟停過程中，或者是運(yùn)行過程發(fā)生變化時，相關(guān)部件就會承受較大的應(yīng)力，而高溫區(qū)域往往是承受最大熱應(yīng)力的位置。利用冷卻技術(shù)，能夠保證在汽輪機(jī)啟停過程中，降低機(jī)組的熱效應(yīng)，從而調(diào)整部件靜止與運(yùn)作過程中的溫度差，在很大程度上降低了機(jī)組部件的熱應(yīng)力，對部件健康運(yùn)行具有重要的意義。

2 超超臨界汽輪機(jī)部件冷卻結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

2.1 高壓、中壓噴嘴室以及高壓轉(zhuǎn)子

2.1.1 高壓轉(zhuǎn)子。對于高壓轉(zhuǎn)子冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計，主要包括以下幾種方式：第一，將第一級葉形根部進(jìn)行負(fù)反動度設(shè)計，這樣就能夠利用低溫蒸汽對高壓轉(zhuǎn)子前輪邊緣進(jìn)行冷卻；第二，可以充分利用汽輪機(jī)中的主蒸汽，從高壓調(diào)節(jié)閥引出，通過噴射冷凝水的方式制造，然后將形成的冷卻蒸汽通過部件間隙，對轉(zhuǎn)子表面進(jìn)行冷卻。在冷卻的過程中，蒸汽的溫度可以通過凝結(jié)水量的控制進(jìn)行調(diào)節(jié)。第三，在高壓第一級后，利用少量的低溫蒸汽，流經(jīng)內(nèi)缸與噴嘴室之間腔室，然后又回流到前軸封與前輪面，這樣就能實(shí)現(xiàn)冷卻葉輪前輪面以及噴嘴室的效果，具體的冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計圖如圖1所示：

2.1.2 噴嘴室。對于高壓一級的噴嘴室設(shè)計為雙流式結(jié)構(gòu)，而二級機(jī)以下的噴嘴室采用單流結(jié)構(gòu)。利用雙流式結(jié)構(gòu)，能夠有效的減少每一個葉片承受的負(fù)荷，并減少動葉片與噴嘴室的應(yīng)力，對于大功率的超超臨界汽輪機(jī)來說，應(yīng)該選用具有熟練應(yīng)用技術(shù)的動葉片。同時，利用雙流式結(jié)構(gòu)，會增加葉片數(shù)量，在一定程度上提高了機(jī)組的整體成本造價。雙流式汽輪機(jī)冷卻結(jié)構(gòu)主要是將一小部分冷卻蒸汽從噴嘴室前軸封進(jìn)入，流經(jīng)轉(zhuǎn)子與噴嘴室之間空隙，最后進(jìn)入到噴嘴室主流，在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的情況下，受到吸收作用的影響，蒸汽會從腔室中流出，實(shí)現(xiàn)冷卻噴嘴室與轉(zhuǎn)子的效果。

2.1.3 高壓轉(zhuǎn)子。通常高壓轉(zhuǎn)子冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計為雙流式結(jié)構(gòu)。大功率超超臨界汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子一般選用雙流式冷卻結(jié)構(gòu)，這樣能夠保證轉(zhuǎn)子上推力均衡，并有效的降低了動葉片應(yīng)力。具體的冷卻原理為：對級后少部分蒸汽進(jìn)行調(diào)節(jié)，在經(jīng)過平角轉(zhuǎn)彎后，通過冷卻斜孔，將蒸汽在轉(zhuǎn)子與噴嘴室表面空隙腔室中流過，然后通過雙流式噴嘴室小孔，最后留到級后，實(shí)現(xiàn)對高壓轉(zhuǎn)子的冷卻。在冷卻蒸汽流轉(zhuǎn)的過程中，主要的技術(shù)在與葉輪中設(shè)置有斜孔，能夠在葉輪轉(zhuǎn)動產(chǎn)生離心力，將蒸汽吸入，最后實(shí)現(xiàn)對高壓轉(zhuǎn)子表面以及噴嘴室的冷卻。

2.2 高壓、中壓汽缸

2.2.1 高壓第一層冷卻設(shè)計。第一，超超臨界汽輪機(jī)中，高壓第一級動葉和噴嘴室中的焓降都相對較大，在很大程度上能夠降低調(diào)級后蒸汽的溫度與壓力，從而降低高壓汽缸內(nèi)壁受到的壓力；第二，在第一級葉形根部設(shè)計中，采用負(fù)反動度設(shè)計方式，從第一級動葉出口流入一小部分冷卻蒸汽，然后冷卻蒸汽會通過動葉與噴嘴室之間空隙中留到葉輪前封與全輪面間腔室中，從而實(shí)現(xiàn)冷卻第一級葉輪的效果。

2.2.2 汽缸夾層。對于高壓中壓汽缸的夾層冷卻方面，冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示：

3 超超臨界汽輪機(jī)部件冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

超超臨界汽輪機(jī)部件冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，關(guān)鍵技術(shù)主要體現(xiàn)在對冷卻參數(shù)設(shè)計、對冷卻效果驗證等方面。

（1）在設(shè)計冷卻參數(shù)方面。第一，合理的選取蒸汽參數(shù)，需要保證冷卻蒸汽部件在工作中的溫度，保證冷卻蒸汽進(jìn)口的溫度比出口處的溫度高，這樣才能為冷卻蒸汽順利流經(jīng)通道提供條件。另外，應(yīng)該控制冷卻蒸汽流經(jīng)通道的速度以及流量，避免流經(jīng)速度過大導(dǎo)致熱應(yīng)力過猛。第二，對于冷卻結(jié)構(gòu)的設(shè)計，還需要對影響冷卻流量的因素進(jìn)行嚴(yán)格的控制，包括平衡孔形狀與大小、通道體積等等，通過合理的設(shè)計，實(shí)現(xiàn)最佳的蒸汽流量。第三，超超臨界汽輪機(jī)部件冷卻采用蒸汽冷卻技術(shù)，會在一定程度上增加成本，在設(shè)計過程中，應(yīng)該盡可能的避免部件用蒸汽冷卻。第四，如果確定采用蒸汽冷卻技術(shù)，還需要通過對轉(zhuǎn)子軸向力詳細(xì)的計算分析，并通過校驗后才能使用?？偟膩碚f，就是需要保證蒸汽冷卻參數(shù)的合理性，通過調(diào)整與設(shè)計對冷卻蒸汽流量具有較大影響因素的設(shè)計、調(diào)整，實(shí)現(xiàn)蒸汽冷卻的應(yīng)用效果、經(jīng)濟(jì)性等，確定最佳的冷卻方案。（2）為了驗證冷卻的效果，還需要在超超臨界汽輪機(jī)相關(guān)部件相應(yīng)位置上設(shè)置溫度測量點(diǎn)，在汽輪機(jī)開啟運(yùn)行后，通過對汽輪機(jī)中各個測溫點(diǎn)溫度的測量，對冷卻效果進(jìn)行評價。如果汽輪機(jī)為反動式，在冷卻效果評價過程中，測溫點(diǎn)的設(shè)計還需要通過在2級與3級靜葉片中進(jìn)行打孔，并設(shè)置測溫點(diǎn)，對葉片表面的溫度進(jìn)行測量，同時對汽輪機(jī)部件金屬溫度以及蒸汽溫度進(jìn)行監(jiān)測，一般利用熱電偶實(shí)現(xiàn)，將其安裝在汽缸中，進(jìn)行焊牢固定。然后在超超臨界汽輪機(jī)運(yùn)行后，對中壓轉(zhuǎn)子、高壓轉(zhuǎn)子冷卻效果進(jìn)行驗證。

4 結(jié)束語

通過上述分析可知，超超臨界汽輪機(jī)在運(yùn)行過程中，由于受到運(yùn)行溫度的影響，導(dǎo)致材料性能下降，對其運(yùn)行造成影響，同時也會縮短部件的使用壽命。利用有效的蒸汽冷卻技術(shù)，不僅能夠保證材料的使用性能，還能夠在保證汽輪機(jī)運(yùn)行的情況下，延長機(jī)組整體的使用年限。對于超超臨界汽輪機(jī)中不同的部件，其冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計也不盡相同，還需要根據(jù)具體的情況，合理設(shè)計冷卻參數(shù)，保證冷卻效果，同時利用在機(jī)組相應(yīng)位置設(shè)立測溫點(diǎn)，對蒸汽冷卻技術(shù)的冷卻效果進(jìn)行驗證與評價。現(xiàn)階段我國在超超臨界汽輪機(jī)冷卻問題中的研究還不夠深入，還需要加大科研與開發(fā)的力度，在保證超超臨界汽輪機(jī)正常運(yùn)行的情況下，不斷的提升機(jī)組的性能，節(jié)約成本，提高產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)效益。

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