新型高效909mm末級動葉片研發

蒲守武， 范志飛， 杜小琴， 周顯丁， 尹明艷， 李音， 茍小平， 梁文杰， 李昊

（東方電氣集團東方汽輪機有限公司， 四川德陽， 618000）

0 前言

隨著我國提出 “碳達峰， 碳中和” 目標， 新能源裝機比例迅速提升， 同時電力消費增長減速，電力供需形勢由偏緊轉為寬松、 部分地區過剩，電網負荷的峰谷差變大。 新能源快速發展， 煤電設備利用小時逐年降低， 燃煤機組發電負荷率普遍偏低， 燃煤機組發電負荷率在40%～80%占比達55%， 煤電機組的總體功能由電力、 電量的主體作用向基荷、 調峰功能轉變。 由于已有末級動葉片的設計點均為THA 工況， 40%～80%負荷效率較低， 在低負荷區機組的經濟性顯著降低， 在深度調峰運行時存在安全風險。 因此， 決定全新開發適用于寬負荷運行的新型高效909 mm 末級動葉片。

1 末級葉片開發流程

低壓長葉片模塊由蒸汽參數、 背壓范圍和功率等級確定。 基于600 MW、 660 MW 等級濕冷機組新建和改造需求， 確定了新型高效909 mm 末級動葉片設計額定背壓及適用背壓范圍， 可主要應用于火力發電超超臨界、 超臨界、 亞臨界， 中間再熱600 MW、 350 MW 等級汽輪機機組和全轉速核電汽輪機組， 排氣面積為7.5 m2。 長葉片開發流程如圖1 所示。

圖1 長葉片開發流程

2 氣動設計

現階段火力發電汽輪機機組在實際運行過程中， 在非額定設計工況下運行占比較大， 除了需要保證機組在THA 工況高效運行外， 還要保證部分負荷的效率處于較佳運行工況內。 采用了經過實際運行業績驗證的大型商業軟件NUMECA、CFX 軟件分析末級葉片的相關特征參數對末級葉片的性能影響， 如速比、 反動度、 排汽角等， 詳細設計對變工況性能影響較明顯的參數， 全新研發了新型高效909 mm 末級靜動葉葉型。

經過比選， 末級速比采用0.43。 靜動葉葉型對入口角度的適應性非常強， 特別是50%葉高截面攻角在-30°～+30°損失變化非常小， 如圖2 所示。 末級反動度沿葉高分布如圖3 所示， 根部采用大反動度設計， 頂部反動度相對較小， 整體分布趨勢平緩， 不僅有利于減小根頂部的汽封漏汽損失， 還可使馬赫數分布趨勢更加平緩， 如圖4所示， 通道內最大馬赫數減小， 有利于減小靜動葉片的損失。

圖2 末級靜動葉50%截面能量損失系數與攻角關系

圖3 反動度沿葉高分布

圖4 不同葉高位置馬赫數分布

圖5 為末級總靜效率隨背壓的變化曲線， 末級總靜效率設計點位于最高點左側， 當高背壓升高時， 效率并未遠離最佳運行區域， 因此設計點偏離最佳位置的設計方法有利于提高低壓模塊變工況的性能。 另外， 從余速損失隨環形速度的變化曲線可以看出， 設計點位于最低值右側， 當低負荷， 或者高背壓時， 容積流量減小， 環形速度降低， 效率仍位于最佳設計區間內， 因此， 將環形速度設計點偏離最佳位置的設計有利于提高低壓模塊變工況的性能， 如圖6 所示。 基于909 mm末級葉片優異的寬負荷適應能力， 保障了該末級葉片在較寬負荷范圍內均能高效運行， 由圖7 可以看出， 該葉片在40%～100%負荷效率均高于95%， 且變化很小， 可大幅提高火電機組綜合經濟性。

圖5 總靜效率隨背壓的變化曲線

圖6 余速損失隨環形速度的變化曲線

圖7 909 末級葉片總總效率隨負荷率的變化

3 結構設計

909 mm 末級動葉片結構采用了樅樹型葉根，自帶整體凸臺拉筋和圍帶， 扭轉恢復成圈結構設計。 在安裝狀態， 相鄰葉片拉筋和圍帶之間均按間隙設計， 如圖8 所示， 工作轉速在離心作用下，相鄰葉片的拉筋和圍帶結構相互擠壓鎖緊， 使得該末級葉片具有高可靠性的成圈特性， 可大幅提高末級葉片結構阻尼、 降低末級葉片振動響應、減小葉片的動力作用， 從而提高末級葉片的運行安全性。 另外， 通過調整圍帶厚度， 可將該葉片各危險節徑共振轉速調整至安全區間， 因此該葉片具有極好的調頻性能。

圖8 拉筋和圍帶安裝狀態

末葉材料選用17-4PH， 屬于馬氏體沉淀硬化不銹鋼， 該鋼是在常規馬氏體不銹鋼加入鉬、 鎢、鈦、 鈮、 銅等強化元素， 并降低了碳含量。 這些元素在固溶過程中溶入奧氏體基體， 在馬氏體基體上重新析出與基體共格的碳化物 （如ε-Cu、NbN、 M23C6）， 產生沉淀硬化， 從而提高了鋼的力學性能。 使得該材料具有強度高、 塑韌性好、 耐腐蝕性好、 抗水滴沖蝕性能好， 更適合在過渡區和濕蒸汽區使用。

4 強度振動性能

該葉根、 輪槽具有載荷分布均勻， 應力集中系數小的特點。 葉根和輪槽危險截面拉應力遠低于最高溫度運行工況對應材料的許用值， 如圖9所示。

圖9 葉根、 輪槽危險截面拉應力

基于ABAQUS 采用循環對稱模型， 對整圈末級葉片進行非線性接觸有限元分析。 得到葉片的應力分布， 如圖10 所示， 葉片應力較高的區域為拉筋下部倒圓、 葉型根部進汽側背弧倒圓和葉根倒圓處。

圖10 葉片應力云圖 （3 000 r/min）

隨著轉速的升高， 葉身在離心力作用下扭轉，相鄰葉片的圍帶和拉筋相繼接觸， 拉筋和圍帶的接觸力隨著轉速的繼續升高逐漸達到足夠鎖緊狀態， 如圖11 所示， 使得葉片彼此連接形成為整圈聯接結構， 此時葉片具有更高的阻尼特性和剛性，從而大幅降低葉片的振動響應，提高葉片的安全性。

圖11 葉片拉筋（左）和圍帶（右）工作面接觸應力（3 000 r/min）

基于離心力載荷的應力剛化效應， 進行了整圈振動特性分析， 如圖12 所示， 該末級動葉片危險節徑為3、 4、 7、 8 節徑， 經精心設計， 這些危險節徑的共振轉速均能避開2 820～3 090 r/min，并且具有較大避開區間， 確保了葉片的安全性。

圖12 909 mm 末級動葉片頻率安全圖

5 實物葉片動頻試驗和超速試驗

為確保葉片的安全性， 對低壓轉子和末級葉片進行實物葉片動頻試驗和超速試驗。 試驗采用近程無線電遙測法， 裝有整級葉片的產品轉子被電機驅動旋轉。 試驗時采用一只噴嘴通入壓縮空氣激振葉片， 葉片受擾產生振動， 由貼于葉身上的感應元件拾振， 振動信號經遙測發射機和接收機傳輸到記錄儀和動態信號分析儀系統。 采用LMS SCM202 信號調理組件和Test.Lab 軟件進行數據記錄、 分析和處理， 依據在激振試驗中測得的葉片振動數據確認整圈葉片的 “三重點” 共振頻率及共振轉速。 通過實物試驗和調頻， 該末級動葉片在2 820～3 090 r/min 無 “三重點” 共振， 如圖13 所示。 通過超速試驗驗證了該末級葉片結構具有良好的安全可靠性。

圖13 909 mm 末級動葉片實測坎貝爾圖

6 結論

開發的新型高效909 mm 末級動葉片是適用于寬負荷運行， 高效、 可靠性高的大型汽輪機末級葉片， 具有在較寬負荷范圍內氣動性能均較高，結構可靠性好和振動特性優的特點。 滿足火力發電機組作為基荷電源寬負荷運行的需求， 提高了機組在低負荷工況的燃煤經濟性， 降低了碳排放，助力我國實現“碳達峰、 碳中和” 的宏偉目標。