改善汽輪機(jī)低壓缸末級葉片調(diào)峰性能的探討

1、改善汽輪機(jī)低壓缸末級葉片調(diào)峰性能的探討王家楹（浙江省電力公司  浙江  杭州  310007）   摘 要：大型汽輪機(jī)參與電網(wǎng)調(diào)峰運行，在低負(fù)荷、小容積流量下將會產(chǎn)生動葉出汽邊水蝕、葉片顫振等新問題，對此分析了其產(chǎn)生的機(jī)理，提出改進(jìn)措施。   關(guān)鍵詞：汽輪機(jī)調(diào)峰  性能  改進(jìn)隨著電網(wǎng)用電負(fù)荷特性的變化，對燃煤機(jī)組的調(diào)峰要求也越來越高。但對于早些年按基本負(fù)荷運行設(shè)計的汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組，當(dāng)采用低負(fù)荷的調(diào)峰運行方式時，由于機(jī)組偏離了原設(shè)計工況，經(jīng)濟(jì)性和可靠性均受到影響。對汽輪機(jī)本體來講，調(diào)峰機(jī)組頻繁的起停及變工

2、況運行，增加了機(jī)組的低周疲勞，其影響部位主要為旋轉(zhuǎn)件：如轉(zhuǎn)子和葉片及汽缸等部位。統(tǒng)計表明，低壓缸葉片損壞的數(shù)量約占全部損壞葉片數(shù)的85，而末級和次末級葉片損壞數(shù)約占低壓缸葉片損壞數(shù)的75。例如：鎮(zhèn)海電廠200 MW機(jī)組經(jīng)過一段調(diào)峰工況的運行后，曾發(fā)現(xiàn)汽輪機(jī)末級葉片沖蝕嚴(yán)重。在小容積流量工況下，由于流動情況的改變，末級葉片受到的影響分析如下。1動葉出汽邊水蝕    小容積流量時，原設(shè)計流場被破壞，末級葉片沿葉高的熱力參數(shù)將重新分布，沿汽缸壁和葉輪的汽流發(fā)生了分離，汽流在動葉片根部和靜葉柵出口頂部出現(xiàn)汽流脫離，形成倒渦流區(qū)。整個汽道只通過小部分汽流，相對的容積流量越小

3、，旋渦區(qū)越大，分離的相對高度也就越大，圖1為某機(jī)組末級葉片（葉根反動度為0.005）的測試數(shù)值。末級葉片反動度設(shè)計的大小對低負(fù)荷下分離程度有著顯著的影響。根部反動度設(shè)計值越小，當(dāng)容積流量減少而偏離設(shè)計值方向時分離的越早，分離的相對高度也越大，反之亦然。    對原200MW汽輪機(jī)末級葉片做各種負(fù)荷完全平衡計算，計算結(jié)果表明：當(dāng)負(fù)荷低于60時，根部出現(xiàn)負(fù)反動度，當(dāng)負(fù)荷降低至40時，根部反動度達(dá)19，同負(fù)反動度一起出現(xiàn)的是動葉前后近根部的遞壓梯度，此時動葉后的靜壓力將大于動葉前的靜壓力，在這種汽流條件下將使葉型表面的附面層增厚乃至脫離，為在根部區(qū)形成一個較大的倒渦流區(qū)

4、造成外部條件。當(dāng)汽流在動葉片根部和靜葉柵出口頂部出現(xiàn)汽流脫離，形成倒渦流區(qū)時，由于末級排汽濕度大，汽流中夾帶的水滴隨蒸汽倒流沖擊葉柵。水沖蝕使得根部截面積減小，大大削弱了其強(qiáng)度，對機(jī)組的安全運行造成了威脅。2 動葉片顫動    末級葉片顫動也是低負(fù)荷運行時經(jīng)常發(fā)生的。顫動即自激振動，是當(dāng)葉片表面蒸汽流發(fā)生脫離現(xiàn)象形成渦流所致。圖2為汽機(jī)測試所得的動應(yīng)力隨相對容積流量的關(guān)系曲線，在0.41.0范圍內(nèi)，動應(yīng)力隨負(fù)荷的降低而減小，進(jìn)一步降低容積流量，動應(yīng)力開始上升，當(dāng)容積流量為0.2附近達(dá)到最大，然后隨容積流量的減少急劇下降至零。圖中虛線為假設(shè)有汽流脫離時的動應(yīng)力。&#

5、160;   在容積流量減小時，激振力的頻率并沒有變化，所以這種動應(yīng)力突增現(xiàn)象無法用強(qiáng)迫振動予以解釋。由于動應(yīng)力突增現(xiàn)象是發(fā)生在小容積流量工況，所以小容積流量工況的氣動特性是引起動應(yīng)力突增的根源。在小容積流量工況下，動葉根部區(qū)域由于汽流脫離所造成的渦流和葉預(yù)處的汽流偏轉(zhuǎn)而激發(fā)了葉片的自激振動。即使在設(shè)計工況下調(diào)開葉片的固有頻率，仍有可能由于自激振動而落入共振區(qū)，使葉片的動應(yīng)力突增。研究表明，引起汽輪機(jī)葉片在小容積流工況下動應(yīng)力突增的是流體自激振動中的失速顫振。失速汽流對葉片所作的正功小于機(jī)械阻尼所消耗的功時，葉片從汽流吸收的能量不斷被機(jī)械阻尼所消耗，葉片振動的振幅逐漸衰減，

6、振動趨于消失。反之，葉片從汽流吸收的能量不斷增加，葉片振動的振幅逐步加大，于是發(fā)生顫振。3 降低葉片水濁和振動的措施    以上分析可知動葉根部汽流脫離旋渦是造葉柵水蝕和動葉顫振的主要原因，而根部汽流脫離旋渦乃是根部反動度所致，所以從根部增大反動度，避免在小容積流量下出現(xiàn)負(fù)值是解決末級葉片水蝕和顫振的有力措施之一。以鎮(zhèn)海電廠的4臺220 MW機(jī)組為例對汽機(jī)末級葉片進(jìn)行改造，動葉根部反動度提高至16，可避免根部區(qū)域的倒渦流形成。經(jīng)一年多的運行，開缸檢查末級葉片的水蝕情況得到很大的改善。葉片水蝕的情況得到了控制，大大提高了機(jī)組的調(diào)峰性能。應(yīng)注意的問題還有： （1）在設(shè)備選型時，要針對低負(fù)荷運行對末級葉片的影響進(jìn)行葉片選型論證。在汽流設(shè)計上精心選擇動葉和靜葉的最合適的配合流型，選用對沖角不敏感的葉型，增大葉片反動度。同時制造廠在末級動葉根部區(qū)域出汽邊背弧側(cè)應(yīng)采用硬質(zhì)合金以防水蝕。 （2）低壓缸噴霧裝置用于控制汽缸溫升，應(yīng)有較好的效果：一是嚴(yán)密性好，停開方便，靈敏精確。二是霧化效果好，無大粒水或水柱。三是噴射方向安裝正確，保證順流，避開末級葉片，使水蝕減少到最低限度。 （3）低負(fù)荷運行時，應(yīng)控制真空，減少排