某型汽輪機(jī)排氣總壓探針設(shè)計(jì)研究

袁 帥 孫 琪 王曉良 劉忠奎 劉 巖

(中航工業(yè)沈陽發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)研究所，遼寧 沈陽 110015)

某型汽輪機(jī)排氣總壓探針設(shè)計(jì)研究

袁 帥 孫 琪 王曉良 劉忠奎 劉 巖

(中航工業(yè)沈陽發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)研究所，遼寧 沈陽 110015)

為了分析冷凝式汽輪機(jī)的氣動性能,改進(jìn)優(yōu)化排氣部件,提高整機(jī)效率，對排氣缸出口的總壓氣動參數(shù)進(jìn)行測試具有重要意義。針對某型汽輪機(jī)排氣總壓的測試需求，結(jié)合功能性與可靠性，專門設(shè)計(jì)了一種適合水蒸氣測量的總壓探針。研究了探針測試安裝的密封形式以及被測介質(zhì)的冷卻方法等設(shè)計(jì)關(guān)鍵，對主體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了詳細(xì)分析。最后，利用亞音速風(fēng)洞對整支探針進(jìn)行了分段連續(xù)地氣動校準(zhǔn)，校準(zhǔn)結(jié)果表明探針精度滿足測試使用，為某型汽輪機(jī)的排氣總壓測試提供了工程急需的技術(shù)手段。

汽輪機(jī) 蒸汽壓力 總壓探針 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 校準(zhǔn)

0 引言

一直以來，汽輪機(jī)都是能源電力和交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域的主要動力裝置，隨著社會能源與環(huán)境問題的日益凸顯，現(xiàn)役數(shù)量龐大的老式機(jī)組所暴露出的效率低、性能差等缺陷與當(dāng)前經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的主題和需求嚴(yán)重不符，迫切需要對其升級改造[1]。排氣缸作為凝氣式汽輪機(jī)的重要組成部件，從李殿璽等[2]和李軍等[3]對排氣缸研究現(xiàn)狀與技術(shù)進(jìn)展進(jìn)行的綜述可見，對其氣動性能的分析成為國內(nèi)外研究人員關(guān)注的焦點(diǎn)。由陳勝利[4]等和方守印[5]等關(guān)于排氣壓力對汽輪機(jī)運(yùn)行的影響分析可知，排氣總壓氣動參數(shù)是關(guān)系到部件及整機(jī)改進(jìn)優(yōu)化的重要依據(jù)。相對國外而言，國內(nèi)由于不具備這一測試關(guān)鍵技術(shù)，一直影響著研制進(jìn)程。例如由于缺乏對某型汽輪機(jī)出口蒸汽總壓的測試條件，所以只能在空氣環(huán)境下進(jìn)行一些整機(jī)模擬試驗(yàn)。為此，本文給某型汽輪機(jī)專門設(shè)計(jì)了一種適合全蒸汽試驗(yàn)的總壓測試探針，為某型汽輪機(jī)的研發(fā)提供了不可或缺的測試保障。

1 關(guān)鍵技術(shù)研究

某型汽輪機(jī)排氣缸出口總壓測試要求對測試探針的設(shè)計(jì)給出了如下參數(shù)：①水蒸氣環(huán)境濕度(1-x)=15%；②總壓P*=0.25 kg/cm2(換算為25 kPa)；③總溫T*=100 ℃(換算為373.15 K)；④流速v=70～300 m/s。

由空氣動力學(xué)基礎(chǔ)[6]可知，音速c與氣體性質(zhì)及氣體溫度有關(guān)，即：

(1)

式中：k為絕熱指數(shù)；R為氣體常數(shù)。

馬赫數(shù)M與氣流速度v的關(guān)系為：

M=v/c

(2)

查閱水蒸氣性質(zhì)表可知：過熱蒸汽k=1.3；飽和蒸汽k=1.035+0.1x(x為蒸汽干度)；蒸汽R=461.5J/(kg·K)。通過計(jì)算可得，待測環(huán)境的馬赫數(shù)為M=0.68，因此可確定測試探針的設(shè)計(jì)類型為亞音速總壓探針。

根據(jù)排氣口流道內(nèi)介質(zhì)和流場的特點(diǎn)，從長期的蒸汽侵蝕和相對均勻的流場實(shí)際出發(fā)，探針測點(diǎn)的設(shè)計(jì)形式采用不敏感角相對偏小、內(nèi)置于支桿的半球窩形。該結(jié)構(gòu)可以減少外部焊接及工藝槽尺寸，提高焊口對水蒸氣侵蝕破壞的耐受性，保證測試的可靠性并延長探針使用壽命。

1.1 接口密封形式

一般航空發(fā)動機(jī)的整機(jī)或部件流道內(nèi)為高壓空氣或燃?xì)饨橘|(zhì)，給測試探針預(yù)留的安裝接口尺寸相對較小，普通密封等級即可滿足要求。而某型汽輪機(jī)的插入式測量與以往航空發(fā)動機(jī)的插入式測量不同，冷凝式汽輪機(jī)特有的工作原理決定其排氣缸的排氣口至冷凝器一段為負(fù)壓流路。如果測試探針在安裝部位發(fā)生壓力泄漏，就會對汽輪機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行帶來影響，輕者降低效率，重者直接加速低壓部件的勞損，所以安裝接口的密封技術(shù)是設(shè)計(jì)探針需要特殊考慮的，必須符合待測介質(zhì)的密封要求。

工業(yè)上機(jī)械密封分為靜密封和動密封，探針與整機(jī)之間屬于靜密封連接。靜密封又分為墊片密封、自緊密封、膠密封、填料密封、密封圈密封、螺紋密封和研合面密封等。除了在壓力和密封性要求較高的情況下，使用密封圈密封(按密封圈國標(biāo)件尺寸配加工矩形密封槽)較多以外，一般簡便可行的墊片密封技術(shù)使用相對更為廣泛。為此，探針接口的局部設(shè)計(jì)采用墊片密封方案。

在墊片密封設(shè)計(jì)中，根據(jù)密封介質(zhì)的溫度、壓力和理化特性，通過選擇不同的密封結(jié)構(gòu)和密封墊材料，并施加足夠的壓緊力來消除泄漏，達(dá)到密封效果。對于密封結(jié)構(gòu)而言，六孔圓形法蘭的壓緊點(diǎn)分布均勻，安裝形面與測試開孔貼合效果好，被確定為測試探針密封墊的壓緊結(jié)構(gòu)。石棉橡膠板是使用量最大的密封墊材料。根據(jù)性能及途徑的不同，它可分為高壓石棉橡膠板、中壓石棉橡膠板和低壓石棉橡膠板，主要適用于水、蒸汽、空氣、氣體/液體氨及惰性氣體，其使用條件如表1所示[7]。綜合考慮測試探針實(shí)際工作環(huán)境，密封墊選用低壓石棉板XB150，可滿足對某型汽輪機(jī)蒸汽介質(zhì)流路負(fù)壓環(huán)境的測試開孔密封。

表1 石棉橡膠板類型和使用范圍(參見GB/T 3985-2008)

1.2 蒸汽冷卻方法

排氣總壓測試探針作為一次儀表的前端受感部，其后需要與壓力掃描閥連接。常用的Scanivalve掃描閥使用溫度為0～70 ℃，因此某型汽輪機(jī)排氣口蒸汽由探針引出后需要降溫冷卻，保證待測介質(zhì)溫度在掃描閥允許的溫度范圍內(nèi)。

蒸汽冷卻的方法很多，常見的形式有通水或通氣的冷凝罐。在沒有特殊要求的情況下，更為簡單易行的方案是直接利用一段冷卻導(dǎo)壓管，在引壓的同時達(dá)到冷卻的目的。李汶蔚等[8]對比了幾種不同內(nèi)壁結(jié)構(gòu)冷卻管的應(yīng)急換熱特性，并做了一些關(guān)于換熱系數(shù)關(guān)系和系數(shù)變化規(guī)律的試驗(yàn)，結(jié)果表明：在特定條件下，內(nèi)壁帶肋結(jié)構(gòu)的冷卻管換熱系數(shù)是光壁管的3倍左右。這里鑒于內(nèi)壁肋結(jié)構(gòu)的加工復(fù)雜性，可以考慮結(jié)構(gòu)類似的外壁肋冷卻管，或一定長度的光壁管來達(dá)到降溫目的。趙武等[9]對冷卻導(dǎo)壓管長度與過熱蒸汽冷卻之間的關(guān)系進(jìn)行了較為詳盡的分析，為管長估算提供了方法。

由流體力學(xué)基礎(chǔ)可知，冷卻導(dǎo)壓管內(nèi)的水蒸氣相對靜止，處于一種動態(tài)平衡狀態(tài)，其冷凝過程可劃分為L1、L2和L3三段，如圖1所示。L1段為過熱蒸汽轉(zhuǎn)為飽和水蒸氣的過程；L2段為飽和水蒸氣恒溫放出潛熱，生成同溫冷凝水的過程；L3段為冷凝水降溫的過程。

圖1 冷卻管換熱原理圖

由某型汽輪機(jī)排氣口給定的蒸汽特性參數(shù)可見，該處蒸汽仍處于濕飽階段，尚未達(dá)到過熱蒸汽的程度，所以冷卻狀態(tài)主要處于L2段和L3段。根據(jù)吸熱速率與散熱速率相等的能量守恒原則，建立L2和L3兩部分的平衡狀態(tài)方程。

① L2段散熱途徑為先導(dǎo)管傳熱后空氣散熱以及L3段吸熱，則有:

(3)

式中：ΔT為熱傳溫差；R2為L2段等效串聯(lián)熱阻，求法同L3段R3。

吸熱來源為保證飽和水蒸氣不冷凝成水的冷凝潛熱，則有:

Q2吸=r潛熱ρ水蒸汽V

(4)

②L3段散熱途徑與L2段的前部分相同，即先導(dǎo)管傳熱后再與空氣進(jìn)行對流與輻射聯(lián)合散熱，則有:

(5)

L3段吸熱來源為L2段通過蒸汽和導(dǎo)管兩路介質(zhì)的導(dǎo)熱，由平壁截面的傳熱公式Q=SλΔT/δ可得到Q3吸，其中截面厚度δ即為待定的L3段管長l3。對于蒸汽和導(dǎo)管而言，公式中除了接觸面積S不同以外，其余變量均相同。

根據(jù)航空發(fā)動機(jī)的測試經(jīng)驗(yàn)，冷卻導(dǎo)壓管選用尺寸規(guī)格為φ6×1、導(dǎo)熱系數(shù)λ=350W/m·℃的紫銅管，將上述①和②中的兩個平衡方程聯(lián)立，可計(jì)算出滿足掃描閥的使用溫度范圍，使100 ℃的水蒸氣降溫至70 ℃以內(nèi)所需冷卻導(dǎo)壓管長度的最小值，即為L2與L3兩段的長度和。

冷卻導(dǎo)壓管兩端分別采用球頭壓帽與內(nèi)錐外螺紋的對接結(jié)構(gòu)，與測試探針和壓力掃描閥連接。這種對接方式可以做到無泄漏引壓，保證管內(nèi)壓力處處相等，消除導(dǎo)壓管內(nèi)因冷卻產(chǎn)生的冷凝水對壓力測量值的干擾。

2 主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度校核

某型汽輪機(jī)排氣缸出口總壓測試要求還對測試探針設(shè)計(jì)提出了如下尺寸要求：①蒸氣排氣口尺寸1 200mm×900mm，在930mm內(nèi)均布16個測點(diǎn)；②內(nèi)部結(jié)構(gòu)提供兩個支撐點(diǎn)，相互之間及與排氣口內(nèi)壁距離均為l′=300mm；③預(yù)留測試安裝孔尺寸φ50mm。

根據(jù)強(qiáng)度和堵塞比兼顧的設(shè)計(jì)原則，該測試探針的大跨度支桿由1Cr18Ni9Ti材料的圓管沖壓成扁平狀圓桿。這種圓桿形截面的氣動性能更好，強(qiáng)度也比去除材料加工而成的圓桿更加優(yōu)越。

在測試探針支桿形式確定以后，按支桿實(shí)際伸入流道的長度L(930mm)進(jìn)行強(qiáng)度校核。該全尺寸大跨度探針的裝夾形式不同于常規(guī)單懸臂和一固一支的雙支點(diǎn)安裝方式，是有兩個簡支點(diǎn)的三支點(diǎn)固定方式，其力學(xué)模型可以簡化為一固兩支的超靜定問題。解決的方法就是選擇性去除過約束，列出形變平衡方程，求出替代過約束的支反力。其總受力模型可以看成雙支點(diǎn)和單懸臂兩種簡單載荷作用的疊加，如圖2所示。

圖2 單懸臂與雙支點(diǎn)簡單載荷受力圖

圖2(a)中，m與P為單懸臂載荷的等效彎矩與作用力。根據(jù)兩個簡單載荷的撓度公式[10]，列簡支點(diǎn)A處的撓度平衡方程：

(6)

式中：q為桿長L單位長度所受的氣動力；EI為抗彎剛度、彈性模量與慣性矩的合稱；l=2l′，得到支反力FA。

然后對固支點(diǎn)列靜力矩平衡方程，可求簡支點(diǎn)B上的作用力FB，隨即可畫出總模型的剪力與彎矩圖，如圖3所示。

圖3 總模型的剪力與彎矩圖

最大應(yīng)力值為彎矩M極大值與該處抗彎截面模量W之比，即：

(7)

綜合上文所述的測點(diǎn)、安裝面以及本節(jié)所討論的支桿，某型汽輪機(jī)排氣出口半球窩式總壓測試探針的總體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 總壓探針結(jié)構(gòu)圖

3 氣動校準(zhǔn)

測試探針加工完成后，為保證在某型汽輪機(jī)試驗(yàn)過程中測得的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，需要對其進(jìn)行氣動校準(zhǔn)。由于汽輪機(jī)流道內(nèi)環(huán)境介質(zhì)為水蒸氣，校準(zhǔn)工作也應(yīng)在濕蒸汽風(fēng)洞下進(jìn)行。

早在20世紀(jì)80年代，歐洲就有探針標(biāo)定的試驗(yàn)小組開展過風(fēng)洞標(biāo)定的對比性研究工作。汪麗莉[11]等對德國斯圖加特大學(xué)流體機(jī)械研究所所做的關(guān)于氣動測試探針在空氣、濕蒸汽及過熱蒸汽風(fēng)洞下的標(biāo)定試驗(yàn)進(jìn)行了詳細(xì)介紹。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比，得出了以下結(jié)論：可用空氣風(fēng)洞取代復(fù)雜的過熱蒸汽或濕蒸汽風(fēng)洞，且無論空氣風(fēng)洞是封閉或開放式，較大的噴口直徑都有利于減小因風(fēng)洞類型不同而產(chǎn)生的影響。這為本文探針校準(zhǔn)的化繁為簡提供了參考依據(jù)。

在開放式亞音速空氣風(fēng)洞進(jìn)行探針校準(zhǔn)的過程中，由于為某型汽輪機(jī)設(shè)計(jì)的全尺寸大跨度探針長度較大，故對整支探針采用逐點(diǎn)連續(xù)校準(zhǔn)的方法，在±15°角度偏轉(zhuǎn)5°調(diào)節(jié)的條件下，隨機(jī)截取了某測點(diǎn)的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。表2給出的是馬赫數(shù)M=0.5時，測點(diǎn)7校準(zhǔn)總壓及誤差。從數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出，測點(diǎn)精度在0.3%以內(nèi)，探針氣動性能良好，滿足測試準(zhǔn)確度要求。

表2 M=0.5測點(diǎn)7校準(zhǔn)總壓及誤差

4 結(jié)束語

本文分析了某型汽輪機(jī)的待測介質(zhì)特性及測試工作環(huán)境，在綜合氣動測試、傳熱學(xué)和工程力學(xué)等多學(xué)科的基礎(chǔ)上，從工程實(shí)際出發(fā)，專門針對某型汽輪機(jī)排氣出口設(shè)計(jì)了一種排氣總壓測試探針，為汽輪機(jī)的試驗(yàn)運(yùn)行提供了必需的測試手段。當(dāng)然，某型汽輪機(jī)測試用全尺寸大跨度探針的設(shè)計(jì)和使用尚屬首次，其測試結(jié)果包括文中提及的冷凝水對測壓值存在的影響及預(yù)防措施都有待檢驗(yàn)。同時，其他可能存在的隱性問題還需要隨著某型汽輪機(jī)試驗(yàn)的不斷推進(jìn)，在后續(xù)測試過程中不斷顯露，并結(jié)合技術(shù)狀態(tài)和數(shù)據(jù)分析逐步改進(jìn)完善。

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Research on the Design of the Probe Measuring the Total Pressure of Exhaust of Certain Type of Steam Turbine

In order to analyze the aerodynamic performance of condensing type of steam turbine, improving and optimizing the exhaust part, thus enhancing overall efficiency are significant for testing aerodynamic parameters of total pressure at exhaust outlet. In accordance with the test requirement of total pressure of exhaust, and combining with functionality and reliability, the probe suitable for steam measurement is specifically designed. The key of design, e.g., the seal form of the probe test and installation and the cooling method of the measured media are researched, and the main structural strength is analyzed in detail. Finally, by adopting subsonic wind tunnel, aerodynamic calibration of the entire probe is conducted piecewise and continuously. The calibration result demonstrates that the accuracy of the probe meets test use; it provides technical measure for engineering emergency needs in total pressure of exhaust of certain type of steam turbine.

Steam turbine Steam pressure Total pressure probe Structural design Calibration

袁帥(1985-)，男，2010年畢業(yè)于大連理工大學(xué)機(jī)械電子工程專業(yè)，獲碩士學(xué)位，工程師；主要從事氣動測試儀表設(shè)計(jì)研究。

TH812

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201504015

修改稿收到日期：2014-08-27。