大功率電力機(jī)通流改造設(shè)計(jì)的探討

大功率電力機(jī)通流改造設(shè)計(jì)的探討

0作為獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的位列中國(guó)的汽輪業(yè)從21世紀(jì)開(kāi)始就蓬勃發(fā)展。在生產(chǎn)和發(fā)展的同時(shí)，獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的汽輪箱應(yīng)該列入議程。從“十五”初期開(kāi)始,這個(gè)問(wèn)題就被提出并在行業(yè)中廣泛議論,也不同程度地反映到不同的科技發(fā)展規(guī)劃中。本文僅論述發(fā)電用重型燃?xì)廨啓C(jī)的壓氣機(jī)設(shè)計(jì)問(wèn)題。1大型能源氣的設(shè)計(jì)歷史回顧1.1治理了生產(chǎn)和運(yùn)行用的發(fā)電用燃機(jī)燃?xì)廨啓C(jī)的設(shè)計(jì)從它的發(fā)展歷史看,起自兩個(gè)來(lái)源:20世紀(jì)40年代歐洲制造汽輪機(jī)的廠家,在空氣動(dòng)力學(xué)得到長(zhǎng)足發(fā)展和制造了工業(yè)用的壓氣機(jī)之后,開(kāi)始制造燃?xì)廨啓C(jī)。這種燃?xì)廨啓C(jī)基本上沿用了汽輪機(jī)的設(shè)計(jì)思想與結(jié)構(gòu)形式,機(jī)組本體部分的比重量都在10kg/kW或以上。幾乎也在同時(shí)期,GE公司也開(kāi)始了它的燃?xì)廨啓C(jī)事業(yè),它使用一臺(tái)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的通流為基礎(chǔ)進(jìn)行了加級(jí),結(jié)構(gòu)也模仿了航空發(fā)動(dòng)機(jī)的模式?？傮w看來(lái),與航空發(fā)動(dòng)機(jī)非常相似,比重量較輕(8kg/kW左右)。先后生產(chǎn)了幾十臺(tái)供機(jī)車(chē)用,然后用同樣的風(fēng)格發(fā)展了工業(yè)用燃機(jī)和發(fā)電用燃機(jī)。這樣,在發(fā)電用的燃?xì)廨啓C(jī)中就自然地形成了兩個(gè)流派,各具有不同的設(shè)計(jì)思想。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展,這兩個(gè)流派在逐步趨向接近中互相取長(zhǎng)補(bǔ)短形成了現(xiàn)在的‘重型燃?xì)廨啓C(jī)’的概念。重型燃機(jī)這個(gè)領(lǐng)域具有許多相似點(diǎn),如:大約1.25kg/kW～2.1kg/kW的比重量、帶有水平中分面的氣缸、滑動(dòng)軸承、就地檢修、至少10×104以上的設(shè)計(jì)壽命以及高的可靠性與可用率等,這些機(jī)型有GE的9E、9F(A),西門(mén)子的V94.3(A),Alstom(ABB)的GT26,三菱的701F等160MW到260MW左右的機(jī)組,以及它們相應(yīng)的應(yīng)用在60Hz電網(wǎng)系列的機(jī)組。與之相對(duì)應(yīng)的也產(chǎn)生了以航空發(fā)動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)改型用于地面工業(yè)用的燃機(jī),一些人稱之為“輕型燃?xì)廨啓C(jī)”,它們的比重量大約是0.13kg/kW～0.6kg/kW。成熟供應(yīng)市場(chǎng)的這些機(jī)型有LM2500-LM6000,FT8,507k等,俄羅斯烏克蘭也在試生產(chǎn)GTE110。這種機(jī)型目前一般功率在100MW以下,只有GTE110為110MW。盡管這種重型燃?xì)廨啓C(jī)現(xiàn)在也在吸取航空發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù),但主要反映在具體部件的設(shè)計(jì)技術(shù)上,特別是冷卻技術(shù)和燃燒技術(shù)方面,壓氣機(jī)方面則重型機(jī)組基本走的是自己的路。1.2機(jī)組總體結(jié)構(gòu)指標(biāo)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)中,飛機(jī)總體對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的3個(gè)突出的要求——比重量、比油耗(效率)、單位推力(功率)下的迎風(fēng)面積都對(duì)壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)有重大的影響,由于這3個(gè)因素互相關(guān)聯(lián)有時(shí)又互相矛盾,因此,在為一個(gè)具體用途的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)常常要根據(jù)用途(用戶)分清主要的照顧方面和次要的照顧方面。運(yùn)輸式機(jī)組(船用、坦克、車(chē)用等)盡管在這3個(gè)指標(biāo)的數(shù)值上與航空發(fā)動(dòng)機(jī)比較有所放寬,但在壽命、機(jī)動(dòng)性、體積、檢修等方面卻另有更高的要求。固定式發(fā)電機(jī)組盡管也在提倡高功率密度的設(shè)計(jì),但在重量、體積方面顯然不如上述要求高,可以說(shuō),在主機(jī)方案設(shè)計(jì)時(shí)可以把單純意義上的這2個(gè)指標(biāo)放在次要地位考慮,而對(duì)于效率、壽命、可靠性等要求卻是它的最主要指標(biāo)之一。在固定式發(fā)電機(jī)組中,壓氣機(jī)效率對(duì)機(jī)組效率的影響要比通常意義上的航空發(fā)動(dòng)機(jī)中為大。可以統(tǒng)觀地講,如果壓氣機(jī)效率降低了1個(gè)百分點(diǎn),則輸出功率要降低1個(gè)百分點(diǎn)以上。因此壓氣機(jī)效率在提高機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性中具有重大的作用。1.3循環(huán)機(jī)組的效率航空發(fā)動(dòng)機(jī)(簡(jiǎn)單循環(huán))為了提高裝置效率,總是盡量提高壓比以盡量接近按最高效率考慮的最佳壓比(較高),改為地面使用的稱之為‘輕型’的機(jī)組仍然保持原來(lái)機(jī)組的通流部分或通流部分的一部分。聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的按最高效率考慮的最佳壓比較簡(jiǎn)單循環(huán)為低,而發(fā)電用大功率燃?xì)廨啓C(jī)幾乎都要在聯(lián)合循環(huán)之下運(yùn)行,因此首先要考慮聯(lián)合循環(huán)運(yùn)行時(shí)的效率。目前國(guó)外200MW等級(jí)機(jī)組使用的壓比基本處于該機(jī)組使用的初溫下按聯(lián)合循環(huán)最高效率考慮的最佳壓比,它的數(shù)值則接近該簡(jiǎn)單循環(huán)燃機(jī)在該進(jìn)口初溫下按最佳比功考慮的最佳壓比。以GE機(jī)組部件的數(shù)據(jù)為例,在1300℃等級(jí)的初溫下,壓比在14～16附近的范圍基本是聯(lián)合循環(huán)裝置效率最佳的范圍,初溫提高到1400℃等級(jí)后最佳壓比雖然有所提高,但仍在14～16為最佳。不同公司部件性能與冷卻系統(tǒng)不同,具體數(shù)字略有不同,有的略為高些。1.4加級(jí)設(shè)計(jì)是發(fā)展壓氣機(jī)的主要手段通觀國(guó)內(nèi)外壓氣機(jī)發(fā)展到現(xiàn)在的歷史,單缸壓比較高的壓氣機(jī)一般都是在原來(lái)性能比較優(yōu)秀但壓比較低的壓氣機(jī)(稱之為母型)的基礎(chǔ)上采用前后加級(jí)等措施提高壓比和流量形成。由于壓氣機(jī)技術(shù)比較復(fù)雜,還有一些比較深刻的內(nèi)涵目前還不太為人們所知,取得一臺(tái)性能良好的壓氣機(jī)需要花很多的精力與費(fèi)用,因此有了一臺(tái)母型之后,加級(jí)設(shè)計(jì)就成為進(jìn)一步發(fā)展壓氣機(jī)的主要手段。我國(guó)的民用燃?xì)廨啓C(jī)的壓氣機(jī)也是同樣走的這條道路。在自行發(fā)展發(fā)電用燃?xì)廨啓C(jī)領(lǐng)域,很快就要重新遇到在一個(gè)成熟的優(yōu)秀的母型上再進(jìn)一步加級(jí)、模化或在它的基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)纳倭康男薷?如提高點(diǎn)轉(zhuǎn)速、加大點(diǎn)葉高、修改點(diǎn)通流部分等)然后再?；蛹?jí)等問(wèn)題(可以把這些概括簡(jiǎn)稱為‘?；蛹?jí)’)。我國(guó)固定式壓氣機(jī)發(fā)展的40年,在加級(jí)設(shè)計(jì)方面積累了比較豐富的經(jīng)驗(yàn);航空燃?xì)廨啓C(jī)的壓氣機(jī)發(fā)展加級(jí)的經(jīng)驗(yàn)可能更多。因此,模化加級(jí)的方法是新型壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)必然之路。2壓氣機(jī)設(shè)計(jì)中的一些主要指標(biāo)分析2.1加級(jí)前母型壓氣機(jī)總壓比較高平均級(jí)壓比是壓氣機(jī)重要的設(shè)計(jì)特性,它反映了壓氣機(jī)的緊湊度和重量,間接影響了壓氣機(jī)的效率。平均級(jí)壓比越高,達(dá)到同樣總壓比需要的級(jí)數(shù)越少,相應(yīng)地機(jī)組重量越輕,比重量越小。平均級(jí)壓比的一個(gè)對(duì)立面是壓氣機(jī)的效率,平均級(jí)壓比較高時(shí)效率常常較低。對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)和運(yùn)輸式機(jī)械(如:船用、坦克用等)設(shè)計(jì),對(duì)比重量的要求很高,因而要求同樣總壓比下級(jí)數(shù)少,要求盡量提高單級(jí)的壓比,于是有較高的平均級(jí)壓比。而對(duì)于固定式發(fā)電用機(jī)組來(lái)說(shuō),重量指標(biāo)一般不是設(shè)計(jì)的限制因素,而效率則是主要的約束條件之一,因此在這個(gè)因素比較時(shí)常常更注意效率。目前國(guó)際最先進(jìn)的大功率發(fā)電用燃?xì)廨啓C(jī)(F技術(shù)等級(jí)上下)的壓氣機(jī)的平均級(jí)壓比見(jiàn)表1。由表1可見(jiàn),現(xiàn)有F技術(shù)等級(jí)的民用重型燃?xì)廨啓C(jī)的壓氣機(jī)平均級(jí)壓比均在1.2以下,一般約在1.135～1.19的范圍附近,其中只有西門(mén)子的V94.3A為1.2左右;這些壓氣機(jī)效率均較高。航改型一般在1.2以上,效率一般較前者為低。俄羅斯的180的壓氣機(jī)直接取自航空發(fā)動(dòng)機(jī),未加改造故較高,相應(yīng)地它的效率也較一般固定式為低。在加級(jí)前母型平均級(jí)壓比已不低的情況下,在它再加級(jí)時(shí)如果不是結(jié)構(gòu)的因素就不用強(qiáng)調(diào)新加級(jí)的級(jí)壓比,而可以更加重視它的效率、喘振邊界等方面的問(wèn)題了。流量再大、壓比再高的壓氣機(jī)要在它的前面再加級(jí),或相當(dāng)于在它的前面再加級(jí),平均級(jí)壓比會(huì)有所上升,如GE的9H平均級(jí)壓比為1.190,也沒(méi)有超過(guò)1.2,但它的母型已與原來(lái)的不同了。2.2內(nèi)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速隨車(chē)輪比的變化,傳統(tǒng)機(jī)組的葉片和內(nèi)首級(jí)輪轂比首先反映了機(jī)組的迎風(fēng)面積,也反映了體積和重量。首級(jí)輪轂比越小,迎風(fēng)面積越小,機(jī)組越緊湊,體積越小,重量越輕。航空發(fā)動(dòng)機(jī)要求盡量小的迎風(fēng)面積,因而也對(duì)壓氣機(jī)要求有小的輪轂比?，F(xiàn)代航改型機(jī)組的首級(jí)輪轂比都在0.5以下,航空發(fā)動(dòng)機(jī)的首級(jí)輪轂比有的小到0.4以至0.35。輪轂比與壓氣機(jī)本身特別是它的葉片的設(shè)計(jì)有很大的關(guān)系;輪轂比小了,首級(jí)葉片趨向更長(zhǎng)的‘長(zhǎng)葉片’,在子午面流道收縮度較大的情況下設(shè)計(jì)的難度增加。同時(shí)有限的輪轂直徑下沿圓周能夠安排的葉片數(shù)減少,葉根和端軸的設(shè)計(jì)難度加大,這些都會(huì)引起葉片和轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)的困難,有時(shí)甚至使一些總體方案成為不可能。固定式機(jī)組需要安裝滑動(dòng)軸承,需要有水平中分面,需要從壓氣機(jī)端輸出功率,進(jìn)氣也是徑向的,因此從結(jié)構(gòu)方面考慮首級(jí)輪轂比不能太小。目前F級(jí)燃機(jī)的首級(jí)輪轂比均在0.5以上,而且設(shè)計(jì)時(shí)要在可能的情況下盡量提高,幾臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)的首級(jí)輪轂比的近似值如表2。首級(jí)輪轂比在0.5左右的壓氣機(jī)如果再要前加級(jí)就要根據(jù)各自的情況,采取不同的措施。甚至改變通流部分的根徑,以至于根本改變以它作為母型的考慮。2.3壓氣機(jī)加級(jí)改造航空發(fā)動(dòng)機(jī)除了首級(jí)輪轂比小以外,還多數(shù)采用等外徑的流道,這是因?yàn)槌擞L(fēng)面積之外,等外徑流道的級(jí)加功量較其它形式為大,從而可以減少級(jí)數(shù),增加平均級(jí)壓比,減輕重量。而我國(guó)地面用壓氣機(jī)的第一個(gè)母型A08為等內(nèi)徑流道,沿用了原來(lái)的原始葉型和扭曲規(guī)律,在總壓比和流量基本不變的情況下改為等外徑的流道,減少了一級(jí),基本保持了原來(lái)良好的性能。等外徑流道在需要增加流量時(shí)相對(duì)其他流道首級(jí)輪轂比下降更快,因此作發(fā)電機(jī)組使用而前加級(jí)時(shí),在加級(jí)前常常需要提高外徑,以減少首級(jí)輪轂比太小的壓力。如GE公司5000系列壓氣機(jī)從M型到N型,改造前的M型壓氣機(jī)由等外徑流道的航空發(fā)動(dòng)機(jī)母型TG-180后加級(jí)而來(lái),為等外徑+等內(nèi)徑的通流部分流道。由于要前加級(jí),故對(duì)原來(lái)母型進(jìn)行了改造,提高首級(jí)的輪轂比(0.6以上)。這樣相當(dāng)于改造后的N型在原型基礎(chǔ)上重新設(shè)計(jì)了前3級(jí)并加了0級(jí),改為等內(nèi)徑+等外徑+等內(nèi)徑的通流部分流道,這種改造的結(jié)果盡管通流不太光滑,但還是使得該機(jī)組在后來(lái)的加級(jí)中通流部分型線的安排比較順利。但從另一方面說(shuō),加級(jí)后的機(jī)組的首級(jí)輪轂比雖然在0.6以上,由于進(jìn)氣渦殼部分有個(gè)從氣動(dòng)方面考慮顯然還是合理的凹兜,使得通流部分內(nèi)徑降低,因而在運(yùn)用這種壓氣機(jī)的5000系列機(jī)組中,前軸承座的上蓋在壓氣機(jī)不揭開(kāi)上缸的情況下無(wú)法單獨(dú)取出。相反,相應(yīng)的206壓氣機(jī)為等內(nèi)徑的流道,首級(jí)輪轂比0.673。這種通流部分使用了與上述GE公司相似的有凹兜的進(jìn)氣渦殼后,壓氣機(jī)前軸承座的上蓋在壓氣機(jī)不揭開(kāi)上缸的情況下即可方便地單獨(dú)取出。在它的前面再加級(jí)到壓比16左右從結(jié)構(gòu)上可以說(shuō)沒(méi)有什么大的困難。因此為了增加流量和較快地增加壓比而要在母型壓氣機(jī)的前面加級(jí)時(shí),使用等內(nèi)徑的母型是比較方便的。上述通過(guò)?；蛹?jí)形成到5000系列N型是GE公司壓氣機(jī)發(fā)展的一個(gè)重要階段。從5000系列N型到7000系列GE又花了很大的投資與精力進(jìn)行了研發(fā),這次修改主要是提高通流的外徑和內(nèi)徑,從N型再發(fā)展的第一步是提高外徑從而提高流量,同時(shí)其后的7級(jí)也相應(yīng)提高了外徑,相當(dāng)于壓氣機(jī)重新設(shè)計(jì)了前8級(jí),形成仍然為等內(nèi)徑+等外徑+等內(nèi)徑的特殊通流部分。在此以后又同時(shí)提高了內(nèi)徑與外徑,從而完成了到7FA的改造。而9FA和6FA則完全是在7FA上進(jìn)行了?；糯蠛涂s小而來(lái)?？梢?jiàn),GE公司目前使用的重型機(jī)組的壓氣機(jī)是完全按照壓氣機(jī)加級(jí)設(shè)計(jì)的規(guī)律根據(jù)需要發(fā)展的。它的第一個(gè)民用壓氣機(jī)雖然是由航機(jī)的壓氣機(jī)為基礎(chǔ)發(fā)展的,但這個(gè)母型壓比很低(只有4),以后的大量工作還是靠按地面用要求逐步加級(jí)來(lái)實(shí)現(xiàn),而且在實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中根據(jù)發(fā)電機(jī)組的要求母型的通流部分已經(jīng)做了調(diào)整和改造,以至于后來(lái)形成了差不多是等內(nèi)徑+等外徑+等內(nèi)徑的子午面流道;從純空氣動(dòng)力學(xué)角度看這種流道顯然并不理想。但在GE公司的H級(jí)機(jī)組的壓氣機(jī)上得到了很好的改進(jìn),目前9H壓氣機(jī)平均級(jí)壓比為1.19,首級(jí)輪轂比大約為0.5,仍在上述一般范圍之中。它的通流部分較F級(jí)以前的燃機(jī)光滑了很多。3壓氣機(jī)的選擇原則本文只對(duì)壓氣機(jī)設(shè)計(jì)思想的一些問(wèn)題做了一些敘述和探討,當(dāng)然不是壓氣機(jī)設(shè)計(jì)思想的全部。40年中搞了壓氣機(jī)加級(jí)并使其成果在燃?xì)廨啓C(jī)和軸流式壓縮機(jī)中得到了較廣泛的應(yīng)用,按目前燃機(jī)的發(fā)展要求,選擇什么樣的壓氣機(jī)作為進(jìn)一步加級(jí)的母型,以及在加級(jí)設(shè)計(jì)中應(yīng)予以考慮的問(wèn)題,可以大致歸納為以下幾個(gè)方面:(1)通過(guò)40年國(guó)內(nèi)航空、地面設(shè)計(jì)和研究的實(shí)踐表明,通過(guò)加級(jí)實(shí)踐,設(shè)計(jì)出具有自我知識(shí)產(chǎn)權(quán)的壓氣機(jī)是完全可能的。國(guó)內(nèi)有滿足要求的壓氣機(jī)可作為加級(jí)的母型。(2)母型的選擇首先要效率高,對(duì)于壓比5～6的母型等熵效率應(yīng)在0.885以上,對(duì)于壓比9～12的母型等熵效率應(yīng)在0.88到0.875以上,其目的是加級(jí)到壓比為14～16時(shí)效率起碼應(yīng)在0.87以上。(3)母型