大型空冷汽輪機關鍵技術及解決策略研究

張桂彬

摘 要 大型空冷汽輪機在運行的過程中，環境溫度變化對排汽溫度和背壓都有一定影響。在這一特點基礎上，本文首先從高阻尼結構末級葉片和落地式低壓缸兩個角度出發，對大型空冷汽輪機關鍵技術及解決策略展開了探討，希望為大型空冷汽輪機的長期安全穩定運行奠定良好的基礎。

關鍵詞 大型空冷汽輪機；關鍵技術；解決策略

中圖分類號 TH11 文獻標識碼 A 文章編號 2095-6363（2017）16-0112-01

1 高阻尼結構末級葉片

1.1 提升空冷專用末級葉片全工況安全性措施

要想促使空冷汽輪機在運行的過程中呈現出較強的安全性，必須保證所開發的空冷專用末級葉片擁有更高的阻尼，從而促使動應力在作用于葉片當中時有效減少，保證安全運行在末級長葉片中得以實現。

在對空冷專用末級葉片進行制作的過程中，必須保證其能夠對容積流量劇烈變化進行承受，因此實際設計中的途徑包含以下幾點：高阻尼連接結構應有凸臺拉筋或自帶圍帶、自帶圍帶、凸臺套筒拉筋等構成，在面對離心力時，應保證葉片在有效扭轉的情況下進行整圈連接，此時單純性成為葉片振動的主要特性，能夠促使響應振型數有效減少[1]。同時一定的摩擦以及接觸會在凸臺拉筋和圍帶之間產生，對其進行應用，能夠促使結構阻尼有效增加，同時動應力在葉片中將有所減少。

末級葉片在使用的過程中應足夠強壯，針對濕冷葉片同空冷末級葉片的根部軸向寬度，后者長度應是前者的1.6—2.0倍。在對這一設計進行應用的過程中，剛性在末級葉片中有效提升，同時葉片蒸汽彎應力得到了降低；葉片阻尼有所增強。

在對反動度進行有效控制的過程中，能夠促進末級葉片變工況能力和根部反動度控制級的提升。針對末級葉片根部反動度設計來講，空冷機組的要求相對特別，必須產生偏高的反動度[2]。如果反動度在冬季工況背壓降低時而有所提升，將明顯提升蒸汽彎應力和根部流動損失，如果擁有偏低的根部反動度，夏季不斷升高的工況背壓，會導致葉片根部提前進入負反動度區，形成回流和流動分離，造成嚴重的流動損失。

因此在實際設計的過程中，應對靜葉為復合彎扭葉片進行充分的應用，在對反動度沿葉高的分布進行控制的過程中對動葉沿葉高反扭法進行充分的應用。

1.2 提升空冷專用末級葉片全工況經濟性措施

在空冷機組變工況特點的基礎上，將全三維數值模擬應用到末級動葉各典型工況中，從而對運行過程中的變工況流動現象進行全面分析，并詳細研究了高背壓產生流動分離基礎上的顫振機理。

當背壓升高是機組的運行狀態時，快速降低的現象會在末級動葉出口速度中形成，促使其運行在負攻角偏大的情況下，此時嚴重流動分離現象會在末級動葉頂部形成，漩渦也會在動葉頂處產生[3]。此時損失在動葉頂部葉型中會越來越嚴重，交變應力會對葉片產生嚴重的影響，導致震顫現象在葉片中形成。在對工況進行設計的過程中，可以將一定的正攻角在葉片中部以上進行應用，從而實現對頂部葉型壓力的延緩，減少流動分離現象發生的概率，此時漩渦強度在動葉頂部會有所降低，而整體變工況氣動性能在葉片中也能夠得到改善，促使安全性在葉片中運行過程中有效實現。

1.3 空冷專用末級葉片試驗

葉片振動的過程中，必須全面掌握安全性以及振動的特點，尤其是小容積流量條件下，葉片振動是否能夠具有較強的安全性至關重要。在展開研究的過程中，應確保正確的進行葉片氣動設計，因此，流場試驗和動應力試驗對于葉片研究具有重要意義。

在對空冷機組實際運行工況進行模擬，并對動應力進行測試的過程中，可以對末三級模型透平試驗進行應用，試驗結果說明動應力小是新型高阻尼末級葉片的主要特點，由此也充分說明，我國在開發葉片的過程中取得了進步。從安全的角度來看，要想合理的設置末級葉片頻率，出廠前必須對葉片進行作動調頻試驗。增加末級葉片長度，如果擁有明顯的二階頻率響應，那么必須對工作頻率進行避開處理[4]。在以往的處理過程中，為了促進一階頻率的提升、二階頻率降低，需要對圍帶重量減少的方法進行應用，但是這一方法并沒有形成良好的調節效果，葉片頻率無法達到安全性指標。而現階段在對聯結剛度進行調整的過程中，有效彌補了傳統調整方法的缺陷。

2 落地式低壓缸

在對軸承箱落地式結構低壓缸進行開發的過程中，必須首先了解其特點：針對動靜碰磨、低壓缸漏汽等安全性問題，可以對落地式低壓內缸進行研發和應用。原有低壓內缸為一體化設計，需要在外缸中分面上進行支撐，通過外缸、內缸的變形來促使低壓靜子產生變形；同時，尺寸較大是低壓內外缸的一個主要特點，在焊接的過程中，使用的鋼板澆薄，因此擁有交叉的剛性。在空冷機組中應用這一設備，靜子會因較高的排汽溫度而產生較大的變形，最終形成動靜碰磨，這就給機組運行的安全性帶來了嚴重的威脅[5]。

要想高效處理以上問題，應將落地式結構應用于低壓內缸設計中，而傳統的雙層結構應被單層結構所取代，從而生成較強的剛性。在對有限元計算進行應用的過程中，內缸中不同部位的應變能力以及應力都可以得到充分的反映，說明整體結構設計具有較強的合理性。在對有限元分析進行充分應用的背景下得出，低壓缸的變形在軸向、水平以及豎向方向上相對較小，說明設備符合運行要求。

另外，在對成功落地式低壓軸承箱進行研制的過程中，促使穩定性在軸系中有所提升。由于變化快且排汽溫度高是空冷機組運行過程中的主要特點，要想減小軸承座受低壓外缸變形的影響，應徹底分離低壓外缸和軸承座，實現基礎上的單獨支撐[6]。此時一定程度上提升了軸承座垂直支撐剛性，同時排汽溫度變化、真空變化等對軸承標高的影響也越來越小，全工況條件下軸系始終保持較強的穩定性。

動靜間隙碰磨是由于靜子與轉子不同心而產生的，低壓端汽封被空冷機組設計為支撐在軸承座上。由于落地是軸承座的特點，因此排汽溫度變化不會對中心標高產生影響，因此排汽溫度變化不會導致低壓端汽封中心發生改變。然而，排汽溫度變化會對低壓外缸產生影響，促使其發生形變，在將波紋管加裝到外缸和端汽封之間時，能夠實現柔性連接，促使垂直以及軸向熱差脹上產生的位移得到補償。而轉子同端汽封始終處于同心的狀態，因此可以形成良好的密封性。

3 結論

綜上所述，在提升葉片阻尼和剛度的基礎上，能夠促使葉片在運行的過程中，受到的振蕩減少，同時，在對一階和二階頻率進行調整的過程中，對連結剛度調整法進行了充分的應用。在此基礎上，高阻尼結構末級長葉片得到了開發和應用，為大型空冷汽輪機實現長期穩定運行奠定了良好的基礎。另外，對落地式軸承、和落地式低壓缸的設計，符合環境溫度變化對排汽溫度和背壓影響的大型空冷汽輪機特點，更可以轉變低壓內缸嚴重變形的現象。

參考文獻

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[2]周顯丁，曹守洪，王順德，等.3000r/min大型空冷汽輪機新型863mm末級葉片開發設計及應用驗證[J].東方汽輪機，2015（1）：16-19.

[3]張杜峰，關曉磊.汽輪機低壓排汽缸排汽壓力的變化對汽輪機運行的影響[J].科技與企業，2014（13）：409.

[4]史進淵，楊宇，孫慶，等.超臨界和超超臨界空冷汽輪機的技術方案及設計準則[J].動力工程，2017，27（6）：825-830，855.

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