段森， 畢雪

（哈爾濱汽輪機廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150046）

0 引言

現(xiàn)代低壓汽輪機設(shè)計的好壞，應(yīng)采用汽缸效率、標準化程度和投資成本的綜合指標進行評估。譬如，僅僅用汽缸效率來衡量就不太合適，必須考慮低壓部分對整個汽輪機可靠性的影響，同時對可能增加的研發(fā)和制造成本與得到的效率增益進行比較來評估。

低壓汽輪機設(shè)計中，經(jīng)濟性最優(yōu)化問題的解決總是不理想。雖然增加末級動葉的長度能夠提高汽輪機的功率和效率，但汽缸和轉(zhuǎn)子尺寸的增大，將對原材料采購、加工、檢驗、運輸、安裝和產(chǎn)品安全性能都會產(chǎn)生重大影響，甚至使更大的低壓汽輪機開發(fā)陷入瓶頸而無法突破。

1 低壓汽輪機設(shè)計

各大汽輪機制造廠都有標準的低壓汽輪機系列，由于發(fā)展新的低壓汽輪機成本很高，因此很早就采用了標準化設(shè)計，這樣只要對標準的低壓汽輪機作有限的調(diào)整就能滿足用戶的要求。實際上，標準的低壓汽輪機具有不變的轉(zhuǎn)子尺寸、不變的外缸和不變的末級葉片，通常只需要調(diào)整前若干級的葉片高度，使其與所需功率要求的流量相匹配。除了上述的設(shè)計，如果要開發(fā)新的低壓汽輪機，需要考慮如下因素：

1.1 冷端優(yōu)化

冷端優(yōu)化是在給定的環(huán)境條件下，經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟性分析，尋找其最優(yōu)解，即考慮低壓汽輪機、凝汽器、冷端低壓加熱器和循環(huán)冷卻水系統(tǒng)以及真空系統(tǒng)等所有和運行費用相關(guān)的參數(shù)，最終目標是為了確定最佳凝汽器真空值和最佳循環(huán)水量。而對于低壓汽輪機來說，也就確定了最佳的排汽背壓和總排汽面積。

1.2 末級動葉片尺寸

在低壓缸數(shù)目給定時，最有利的排汽面積可根據(jù)功率曲線來選擇，并根據(jù)標準的母型葉片來?；线m的動葉片高度h和平均直徑Dm。另外，為了得到盡可能緊湊的設(shè)計，h/Dm一般選取0.33～0.37，再考慮到轉(zhuǎn)子鍛件的限制，該比值甚至增加到0.4左右，但較大的比值會增加氣動設(shè)計的難度和葉片振動的危險性。

1.3 低壓進汽口壓力

1）火電機組。大容量火電機組的低壓汽輪機分流數(shù)通常至少為中壓汽輪機分流數(shù)的2倍，這是由于進入低壓汽輪機的比容急劇增大和末級動葉片高度限制的緣故。透平級效率可以表示為容積流量系數(shù)k的函數(shù)（見圖1），k 定義如下：

式中：V為所研究級的容積流量；r為平均動葉直徑；u為平均圓周速度。

按照常規(guī)設(shè)計，低壓進汽平均直徑要大于中壓排汽平均直徑，而容積流量又是中壓的一半，因此低壓汽輪機進口級的k值比中壓排汽級的要小。因此，降低低壓缸進汽壓力對經(jīng)濟性比較有利，而且還能改善低壓內(nèi)缸的運行環(huán)境?，F(xiàn)在某汽輪機制造商已經(jīng)將低壓進汽壓力降至0.5MPa左右。

圖1 沖動式和反動式的級效率

2）核電機組。核電機組的低壓汽輪機與火電機組采用相同的分析方法。但是必須注意，核電機組的蒸汽參數(shù)比較低，其容積流量非常大，因此核電機組的低壓缸進口壓力對總成本的影響很大。針對只有高壓和低壓汽輪機的核電機組，在其優(yōu)化設(shè)計中，應(yīng)考慮汽水分離再熱器（MSR）、MSR與低壓缸之間的管道、再熱閥門以及汽機房的成本。隨著低壓缸進口壓力下降，并考慮取較低的流速而獲得較大的分離效率和較低的壓力損失，MSR的尺寸及其成本增加很大，汽機房要求空間也大，目前最佳的低壓進口壓力在1.0～1.4MPa之間。

除了開發(fā)高流速、尺寸更緊湊的MSR外，設(shè)置中壓汽輪機使低壓進口壓力進一步降低，即采用高、中壓單流汽輪機，可使機組效率進一步提升，但高中壓汽輪機的設(shè)計和管道布置的難度非常大。

2 低壓汽輪機設(shè)計中的特殊問題

除上述討論的對低壓汽輪機設(shè)計影響的若干因素外，還存在某些特殊的設(shè)計問題。

2.1 機座型式

現(xiàn)在的機座型式主要有剛性機座和彈性機座兩種模式，所謂剛性機座就是運轉(zhuǎn)層平臺與支撐柱是一體澆筑的；而彈性機座的運轉(zhuǎn)層平臺與支撐柱是分開的，并采用彈簧隔振器隔離。為了適應(yīng)不同的機座型式，低壓缸與凝汽器的連接方式、凝汽器的支撐方式、凝汽器通過低壓缸施加給機座的負荷都是需要注意的。各種現(xiàn)代的低壓缸與凝汽器的布置方式見表1。

表1 現(xiàn)代的低壓缸與凝汽器的各種布置方式

2.2 低壓進汽結(jié)構(gòu)設(shè)計

低壓進汽結(jié)構(gòu)一般需要考慮兩個問題，一是進汽位置的設(shè)計，另一個是進汽殼的設(shè)計。

圖2

1）進汽位置。對于大功率汽輪機，由于其經(jīng)常處于滿負荷運行狀態(tài)，因此電廠為了縮短檢修周期，越來越重視汽機檢修的簡化。鑒于這種要求，低壓汽輪機的進汽位置處于缸體下半就具有更多的吸引力，這種設(shè)計不需要拆除進汽管道就可進行低壓內(nèi)缸的檢修，見圖2（a）和 圖 2（b）。

2）進汽殼。對于常規(guī)的進汽方式，汽流發(fā)生截面突變和方向的改變，并存在部分汽流對撞，故進入葉片的汽流是不均勻的。因此，這種進汽殼會產(chǎn)生較高的流動損失，只有流速較低時才能使其限制在允許的范圍內(nèi)。但采用較小的流速，就需要設(shè)計較大的進汽殼尺寸，但低壓內(nèi)、外缸的設(shè)計就會變得困難。

現(xiàn)代的某些大型低壓汽輪機根據(jù)仿生學(xué)技術(shù)，設(shè)計了蝸殼進汽結(jié)構(gòu)，這種蝸殼可以避免進汽殼的流動損失，使汽流平滑地流向葉片并允許較高的流速。在采用這種蝸殼設(shè)計時，必須要研究低壓進汽的位置，見圖2（c）。

3 結(jié)論

開發(fā)新的低壓汽輪機，應(yīng)按照經(jīng)濟最優(yōu)化的原則進行分析。只有對汽輪機效率、機組安全性和所有研究的總成本進行綜合性評估，才有可能獲得最佳的效果。另外，考慮到用戶對檢修周期和機座型式的需求，簡化低壓缸安裝和拆卸程序，研究適應(yīng)性更強的低壓缸和凝汽器布置方式也是很重要的。