噴嘴調節方式下調節級葉片強度的計算分析方法

孫建國　馬濤　白存軍　楊春宇　李越男　劉金龍

摘 要：目前，越來越多的大功率汽輪機不得不在采用噴嘴調節方式下進行快速深度變負荷運行，來應對新能源電源大規模接入和峰谷差日益增大的電網現狀。然而，不同的噴嘴調節方式對汽輪機調節級葉片強度的影響也是不同的。該文針對600 MW和300 MW兩個典型級別機組，分析了噴嘴調節方式對機組調節級葉片強度的影響，并給出了噴嘴調節方式對調節級葉片強度的計算方法。這對保證我國占主流的300 MW級別和600 MW級別機組的安全高效運行具有一定的借鑒意義。

關鍵詞：300 MW 600 MW 噴嘴調節 調節級 葉片強度 變工況計算

中圖分類號：TK26 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）10（a）-0215-02

目前，許多大功率機組（包括供熱機組）不得不在噴嘴調節方式下進行快速深度變負荷運行，從而緩解電網調峰存在越來越大的壓力，包括不斷增大的電網峰谷差和越來越大接入比例的風電等新能源電力[1]。目前，對于噴嘴配汽規律的研究大多都集中于順序閥的安全投運方面，解決配汽規律設計不合理給機組低負荷運行帶來的經濟性、安全性及調節特性問題[2-6]。然而，實際研究表明，如果噴嘴調節方式設計不合理對機組調節級葉片強度的也會產生影響[7-8]。文獻[9]指出首先對汽輪機在不同配汽方式下調節級后溫度變化情況進行了分析，然后計算了不同配汽方式下汽輪機調節級后轉子的溫度場和應力場。最后給出了汽輪機由節流配汽改為噴嘴配汽方式后的變負荷速度確定方法。調節級變工況計算是目前汽輪機熱力校核和強度校核的基礎，文獻[10]提出了一種改進方法，用于快速計算汽輪機調節級變工況的特性曲線，并以某型50 MW汽輪機為例進行了對比計算。相比之前的方法，改進后的方法計算精確度有所提高。由于調節級焓降和反動度的計算是調節級變工況計算的基礎和重要內容，文獻[11]介紹了汽輪機調節級變工況時焓降和反動度的計算方法，并以N600型汽輪機為例，應用MATLAB語言編制計算軟件進行了實例計算，根據計算結果繪制了調節級焓降和反動度的變化曲線。文獻[12]通過對調節閥聯合升程流量特性的分析，建立相鄰兩個不完全開啟調節閥的流量計算模型，并引入到調節級變工況計算中，提出考慮重疊度的汽輪機調節級變工況改進算法，解決以往重疊區內工況無法計算的問題，保證機組在線仿真的連續性，并對國產200 MW機組進行調節級變工況計算。

由于在我國北方運行著大量300 MW級別和600 MW級別的調峰調頻機組，這些機組往往需要進行大范圍的深度變負荷運行。因此，該文針對600 MW和300 MW兩個典型級別機組，分析了噴嘴調節方式對機組調節級葉片強度的影響，并給出了噴嘴調節方式對調節級葉片強度的計算方法。這對保證我國占主流的300 MW級別和600 MW級別機組的安全高效運行具有一定的借鑒意義。

1 葉片強度校核計算理論分析

1.1 調節級葉片受力情況分析

一般，葉片作用力的主要形式有以下幾種：離心力作用、蒸汽作用力、圍帶、拉筋發生彎曲變形時的作用力。當葉片安裝偏移時，離心力的作用點不通過計算截面的形心時，將引起彎曲應力。所以，對于機組葉片應力分析來講，應該包括以下幾方面：（1）汽流作用力：包括彎曲應力和振動-動應力、頻率特性（計算自振頻率是否會共振）；（2）離心力：拉伸應力、彎曲應力；（3）受熱不均勻：不均勻溫度場引起的溫度應力。

1.2 調節級最危險工況下的校核

一般，葉片所受離心力隨轉速、葉片質量變化，蒸汽作用力隨級的焓降和流量而變化。對于葉片本身來講，葉根是汽輪機葉片的重要組成部分，它承擔著動葉與葉輪的連接任務。在機組運行過程中，葉根與葉片一樣要承受離心力和氣流力。對于周向安裝的葉根還要承受相鄰兩側葉根的反作用力。葉根的安全對整個機組的安全運行至關重要。要保證運行安全性，必須在最危險工況下即葉片受力最大的情況下進行校核。汽輪機中各級葉片的最危險工況并不是同時出現。例如：不論是4個調門的機組還是6個調門的機組，調節級的最危險工況是在第一個調節閥接近全開而第二個調節閥尚未開啟之時，此時調節級的理想比焓降最大，部分進汽度最小；對于低壓級，最危險工況是在最大蒸汽流量和最高真空時。對于同一葉片，其葉頂、葉身、葉根等不同位置的應力情況不同，應對最危險截面進行校核。一般而言，靠近葉根位置的應力較大，對于變截面葉片應該對應力最大的截面進行校核。所以，強度校核必須依賴于調節級變工況計算。

2 應力校核計算的基本依據

2.1 應力計算

2.1.1 離心應力計算

對于等截面葉片來講，根部截面的離心力Fc最大，如式（1）所示：

Fc （1）

因此，一般采用變截面來降低葉型截面上的離心應力。

2.1.2 彎曲應力計算

一般，調節級葉片彎曲應力依賴于蒸汽作用在每個葉片上的圓周力和軸向作用力。對于等截面葉片來講，根部截面點上存在最大彎曲應力。對于扭葉片彎曲應力來講，因蒸汽參數和截面面積沿葉高變化，故必須計算出蒸汽彎曲應力沿葉高的變化規律，然后對最大彎曲應力的截面進行強度校核。因此，調節級變工況計算是調節葉片強度校核計算的基礎。

2.2 調節級變工況計算的基本要點

2.2.1 整體計算流程

如圖1所示，為調節級變工況計算的整體流程。首先假設調節級后壓力，分別計算出調節級后級組流量和調節級流量。在計算調節級流量時，假定噴嘴組前的壓力即調節閥后壓力P0i，計算閥門流量和通過該噴嘴組流量，迭代直到=。流量和確定后，比較和是否相等，若不等重新假設調節級后壓力重算，若相等則對調節級進行熱力計算，確定調節級后溫度，依據弗留蓋爾公式修正溫度對流量的影響，這時就可以確定調節的特性，通過進一步的熱力計算便可以得到調節級的變工況特性。

2.2.2 流量計算依據

調節級的流量計算是建立在調節級曲線和曲線的基礎上的。通過給定每股汽流的級前級后壓力可以得到級壓力比，從而通過查上述曲線可以得到變工況下調節級的，然后通過公式（2）可以方便的計算出該股汽流的流量。通過調節級的總流量就是各股汽流的和。

（2）

2.2.3 熱力計算依據

調節級的熱力計算主要是指調節級各項損失和相對內效率的計算。對于每股汽流的級后焓可以借助調節級特性計算得到的曲線計算。通過每股汽流的級前級后參數，可以確定該股汽流的等熵焓降，進而可以求得假想速比，查曲線可得輪周效率，隨后根據初始焓便可確定每股汽流的級后焓。

調節級的輪周效率為：

（3）

式中，為全開閥門的等熵焓降。

相對內效率計算是在上述計算基礎上考慮級的損失后得到的，即：

（4）

式中，為級的各項損失。

蒸汽在汽輪機級內并不能把級的理想焓降全部轉變為轉軸上的機械功。因為實際的能量轉換過程中，除了葉柵損失以外，級內還有各種損失存在，使得汽輪機級發出的有效功減少。這些損失分別為：扇形損失、葉輪摩擦損失、部分進汽損失、漏氣損失和濕汽損失。在調節級內由于葉片很短并且處于過熱蒸汽區，所以調節級內的損失主要包括葉輪摩擦損失、部分進汽損失、漏氣損失。而部分進汽損失又可分為鼓風損失和斥汽損失。

2.2.4 氣流力計算依據

圓周向汽流力除了產生使轉子轉動的扭矩外，還會產生剩余的力。這部分力可以由圓周向力沿X和Y積分得到：

（5）

（6）

式中，為圓周向汽流力（N）；分別為該噴嘴弧段的起始、終止角（弧度）。

軸向分力可由氣體軸向分量動量變化和葉片前后的靜壓差確定：

（7）

式中，分別為葉片進、出口的軸向分速（m/s）；分別為葉片前后氣體靜壓力（）；葉片節距（m）；葉片高度（m）；通過該噴嘴組的流量（Kg/s）。

3 結語

該文針對600 MW和300 MW兩個典型級別機組，分析了噴嘴調節方式對機組調節級葉片強度的影響，并給出了噴嘴調節方式對調節級葉片強度的計算方法。這對保證我國占主流的300 MW級別和600 MW級別機組的安全高效運行具有一定的借鑒意義。

參考文獻

[1] 劉吉臻.大規模新能源電力安全高效利用基礎問題[J].中國電機工程學報，2013，33（16）：1-8.

[2] 于達仁，劉占生，李強，等.汽輪機配汽設計的優化[J].動力工程學報，2007，27（1）：

1-5.

[3] 萬杰，唐海峰，邢閣玉，等.高參數汽輪機高調門內流動失穩故障的一種經濟性解決方法[J].節能技術，2015（33）：159-164.

[4] 李勇，單麗清，徐世明，等.汽輪機調節汽門重疊度與節流損失之間關系的計算分析[J].汽輪機技術，2013（55）：255-257.

[5] 江飛，孫建國，劉錦川，等.國產亞臨界600MW空冷機組單閥-順序閥切換試驗研究[J].節能技術，2011（29）：437-441.

[6] 李前敏，柏毅輝.汽輪機閥門流量特性優化分析[J].電力科學與工程，2012（28）：47-52.

[7] 吳厚鈺.透平零件結構和強度計算[M].北京：機械工業出版社，1980.

[8] 許乃同.阿爾斯通300MW汽輪機配汽系統特殊運行方式的安全性[J].華中電力，1990（5）：2.

[9] 李勇，聶玉火.不同配汽方式下汽輪機調節級后轉子的熱應力分析[J].汽輪機技術，2009（51）：272-275.

[10] 司亞軍，陳兵，楊自春.汽輪機調節級變工況特性曲線的快速算法改進[J].熱力透平，2014（43）：287-290.

[11] 董坤，李素芬.考慮重疊度的汽輪機調節級變工況改進算法[J].節能，2012（31）：23-27.

[12] 李清，黃竹青，王運民，等.汽輪機調節級變工況時焓降和反動度的計算[J].汽輪機技術，2012（54）：21-23.