王麗華

（哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150046）

某300MW等級(jí)汽輪機(jī)高壓葉片性能優(yōu)化設(shè)計(jì)

王麗華

（哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150046）

在對(duì)某300MW等級(jí)汽輪機(jī)機(jī)組的改造中，為了提高機(jī)組效率將高壓12級(jí)壓力級(jí)設(shè)計(jì)改為13級(jí)壓力級(jí)設(shè)計(jì)，并將高壓葉型進(jìn)行優(yōu)化。文中給出了優(yōu)化前后葉片性能參數(shù)。對(duì)比結(jié)果表明，通過對(duì)葉型的優(yōu)化設(shè)計(jì)，極大地提高了汽輪機(jī)高壓葉片的性能。

汽輪機(jī)；葉片型線；優(yōu)化設(shè)計(jì)

0 引言

隨著軸流葉輪機(jī)械的廣泛應(yīng)用及其設(shè)計(jì)技術(shù)的不斷進(jìn)步，汽輪機(jī)葉片設(shè)計(jì)技術(shù)已成為重要的研究領(lǐng)域，其設(shè)計(jì)水平的高低是制約汽輪機(jī)組性能至關(guān)重要的因素之一。葉片是汽輪機(jī)的核心部件，起到能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵作用，葉片的設(shè)計(jì)優(yōu)劣直接影響到整個(gè)機(jī)組的性能。以某300 MW等級(jí)機(jī)組高壓為例，通過對(duì)原機(jī)組熱力參數(shù)和典型級(jí)的三維氣動(dòng)計(jì)算分析，發(fā)現(xiàn)原設(shè)計(jì)確實(shí)存在一些可以優(yōu)化之處。首先是高壓各級(jí)焓降分配不合理，原來各級(jí)焓降分配呈波浪狀。然后是由于U/C1選擇過小，偏離最佳比較遠(yuǎn)，使動(dòng)、靜葉間氣流折轉(zhuǎn)角很大，橫向二次流損失較大。再者級(jí)內(nèi)和級(jí)間匹配較差，存在較大正攻角，攻角損失較大。針對(duì)以上缺點(diǎn)，對(duì)葉型進(jìn)行優(yōu)化。

1 葉片優(yōu)化前

通過對(duì)原機(jī)組熱力參數(shù)和典型級(jí)的三維氣動(dòng)計(jì)算分析，發(fā)現(xiàn)原設(shè)計(jì)存在一些問題。具體如下：

1）各級(jí)焓降分配不合理。

根據(jù)氣體動(dòng)力學(xué)原理，級(jí)的焓降［1］為

其中，u=ωr為輪周速度，而透平葉柵速比χa=U/Ca有最佳值χopt，它變化很小。所以隨葉片平均直徑的增加，級(jí)的焓降要增加。但優(yōu)化前各級(jí)焓降分配呈波浪狀，焓降分配并不合理。

2）二次流損失大。優(yōu)化前各級(jí)U/C1選擇的較小，導(dǎo)致各級(jí)焓降比較大。同時(shí)，優(yōu)化前的葉型是變截面彎葉片，進(jìn)汽圓較大。該型線為高載荷葉型，幾何進(jìn)氣角較小，氣流折轉(zhuǎn)角大。綜合兩個(gè)因素，導(dǎo)致橫向二次流比較強(qiáng)，二次流損失較大。

3）級(jí)內(nèi)和級(jí)間匹配較差。以高壓第2級(jí)為例，由于U/C1選擇的較小，各級(jí)焓降較大，各級(jí)動(dòng)葉出口絕對(duì)汽流角和靜葉出口相對(duì)汽流角較小，盡管選用了高載荷葉型，仍然存在較大的正攻角，匹配較差，攻角損失較大。分析圖1，動(dòng)靜葉進(jìn)汽邊滯止點(diǎn)靠近內(nèi)弧，正攻角明顯，尤其靜葉。此外，靜葉和動(dòng)葉進(jìn)汽圓較大，導(dǎo)致在進(jìn)汽邊的前緣有比較大的速度滯止區(qū)（即端壁處馬蹄渦的鞍點(diǎn)位置提前、強(qiáng)度較大）。

圖1 特征截面馬赫數(shù)分布

2 葉片優(yōu)化過程

在靜動(dòng)葉優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮熱力參數(shù)分布，保證了級(jí)內(nèi)和級(jí)間的匹配。葉型優(yōu)化設(shè)計(jì)前，首先對(duì)高壓各級(jí)靜動(dòng)葉Dm/L進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算發(fā)現(xiàn)，靜動(dòng)葉各級(jí)Dm/L較大，葉片為短葉片，可以設(shè)計(jì)成直葉片。所以動(dòng)葉按直葉片重新設(shè)計(jì)。Dm/L見表1。

表1 各級(jí)靜葉和動(dòng)葉Dm/L

葉型部分，靜動(dòng)葉片進(jìn)汽圓半徑設(shè)計(jì)明顯減小，進(jìn)汽圓半徑的減小，使葉片攻角損失明顯降低，速度滯止區(qū)變小，進(jìn)而有利于減小馬蹄渦的強(qiáng)度。將葉型流道重新設(shè)計(jì)，使流道收縮更均勻，通過對(duì)流道的重新設(shè)計(jì)，使S1流面的馬赫數(shù)分布更合理，葉型損失降低。

3 葉片優(yōu)化前后對(duì)比

圖2為優(yōu)化高壓各級(jí)焓降分配對(duì)比，優(yōu)化后焓降分配比較合理，隨著平均直徑增大，各級(jí)焓降逐漸增大。

圖2 優(yōu)化后高壓各級(jí)焓降分配對(duì)比

圖3 優(yōu)化前后各級(jí)速比對(duì)比

圖4 優(yōu)化前后各級(jí)動(dòng)葉出口絕對(duì)汽流角對(duì)比

從圖3可以看出，優(yōu)化后各級(jí)速比均有不同程度提高，尤其前幾級(jí)。從圖4可以看出各級(jí)動(dòng)葉出口絕對(duì)汽流角和靜葉出口相對(duì)汽流角均有所增大，更加接近軸向，從而使得氣流折轉(zhuǎn)角減小。這些因素，最終減小了各級(jí)的橫向二次流損失，提高了效率。

圖5、圖6是優(yōu)化前后第2級(jí)流場(chǎng)細(xì)節(jié)對(duì)比。圖7是優(yōu)化后特征截面馬赫數(shù)分布?？梢?，優(yōu)化后，有以下特點(diǎn)：1）表面壓力分布更加光滑，從根到頂載荷變化均勻；2）后加載特性更加明顯，原始葉型也是后加載葉型，但是由于焓降大，后加載并不明顯，而且喉部以后逆壓梯度大，逆壓段長(zhǎng)；3）匹配明顯改善，基本零攻角；4）優(yōu)化后進(jìn)汽圓較小，速度滯止區(qū)明顯減小。

4 結(jié)語

通過對(duì)某300 MW等級(jí)汽輪機(jī)葉片型線的優(yōu)化設(shè)計(jì)，使各級(jí)焓降分布更為合理，減少了葉型的攻角損失，使速比更接近最佳速比，S1流面的馬赫數(shù)分布更為合理，動(dòng)葉出口絕對(duì)汽流角和靜葉出口相對(duì)汽流角均接近軸向出汽，減少了二次流損失。由上可見，對(duì)汽輪機(jī)葉型進(jìn)行的優(yōu)化設(shè)計(jì)，是提高汽輪機(jī)級(jí)效率、保證機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性的有效方法。

［1］王仲奇，秦仁.透平機(jī)械原理［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1988：49.

（編輯 昊 天）

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1002-2333（2015）07-0095-03

王麗華（1978—），女，工程師，主要從事汽輪機(jī)設(shè)計(jì)工作。

2015-01-27