汽轮机新型高压级隔板静叶栅结构分析

周 奇，廖 斌，王国栋，徐大伟

（山东齐鲁电机制造有限公司，山东 济南 250100）

0 引言

汽轮机高压级隔板由隔板外环、隔板体、隔板内外围带及静叶栅组成。静叶栅与内外围带采用冲孔焊接，再与隔板外环和隔板体焊接成型，如图1所示。图中：1为隔板外环；2为隔板体；3为隔板静叶栅。

图1 汽轮机高压级隔板外形结构图

汽轮机高压通流部分结构设计中，由于流过高压部分蒸汽压力高、温度高、比容小，所需的叶栅通道通流面积小，所以隔板静叶片高度短；且冲动式汽轮机静叶前后压差大，为了保证隔板的强度，隔板体轴向宽度较大，隔板体大多采用CrMo钢铸造而成［1］。早期常规设计中为了解决这一问题，通常采用窄叶片配合加强筋结构，加强筋可谓是汽轮机通流部分中最不被重视的部件之一，在气动热力计算时也从不过问其存在，似乎它的唯一任务就是保证隔板的强度和刚度，至于它对汽轮机经济性的影响就极少考虑。这种结构有效的保证了隔板、静叶整体的强度，但由于加强筋的型线与叶型不匹配，且加强筋与窄叶片在装配过程中不能实现完全对齐，易在小叶片的入口处产生旋涡扰流，所以造成高压隔板静叶栅蒸汽流动损失大，高压级组效率低，直接影响汽轮机的整机效率［2］。

从高压级隔板通流效率和强度两个方面对常规高压级隔板叶栅布置方式和结构进行优化，通过应用计算液体力学和强度有限元数值分析方法，结合相关机组的热力性能考核试验结果分析，采用新型高压级隔板的机组其高压通流部分的效率比采用常规结构时可以提高1.5%～2%。

1 新型高压级隔板静叶栅结构

常规结构为了保证静叶隔板强度，采用了加强筋结构，新型高压级隔板在总体结构上与常规设计相似，最大区别是采用进汽边加长导流叶栅结构代替原有加强筋结构。

新型隔板静叶栅由主流叶栅和进汽边加长导流叶栅组成，主流叶栅和进汽边加长导流叶栅沿隔板体圆周方向间隔布置，两相邻进汽边加长导流叶栅间设有至少一个主流叶栅，各主流叶栅和各进汽边加长导流叶栅采用相同的背弧出汽侧型线和内弧出汽侧型线，相邻两进汽边加长导流叶栅间构成导流流道，主流叶栅间及主流叶栅与进汽边加长导流叶栅间构成主流流道。蒸汽进入隔板的通流区域首先经过进汽边加长导流叶栅构成的导流流道对汽流进行导流，然后再进入主流叶栅间及主流叶栅与加长导流叶栅间的主流流道完成膨胀加速，如图2所示。图中：1为小叶片；2为加强筋；3为分流叶片；4为主流叶片。

图2 常规隔板静叶栅与新型隔板静叶栅结构对比

主流叶栅型线的特点是采用小进汽侧内背弧过渡圆结构，同时进汽边加长导流叶栅型线也采用小进汽侧内背弧过渡圆结构。进汽边加长导流叶栅安装角 βs1=68°～76°； 主流叶栅安装角 βs2=36°～44°。主流叶栅间以及进汽边加长导流叶栅和主流叶栅间的节距相同，进汽边加长导流叶栅与主流叶栅的出汽边厚度一致，同时两类叶栅型线具有相同的最大厚度。

2 新型高压级隔板静叶栅气动特性

主流叶栅采用先进的设计方法，通过控制叶片内背弧型线使汽流膨胀加速区沿叶型出汽边后移，叶型表面大部分区域的流动附面层边界层处于层流态，减少叶型摩擦损失，使背弧面出汽侧的边界层不易产生脱流，从而减少叶型尾迹区。叶栅通道前段内背弧面的压差较小，横向压力梯度也较小，从而推迟了根部端壁二次流的生成和发展，叶栅流道后半段因汽流膨胀加速，主流通道的速度较高，减小了叶栅根部和顶部附面层汽流的堆积，使二次流损失降低。两种先进的叶型设计方法相结合，有效地减少叶型损失，如图3所示，在相同的叶栅最佳相对节距位置，下方的新型叶栅比上方的常规结构叶型损失（ξp）可以减少0.3%～0.5%。

图3 常规结构与新型隔板叶栅叶型损失对比

进汽角是汽流进入叶栅流道时的方向与叶型额线之间所形成的夹角，进汽角与叶栅几何进口角的夹角称为冲角，其是汽轮机变工况运行时对叶栅损失有较大影响的因素之一［3］。汽轮机变工况运行时，隔板静叶栅汽流来流方向将偏离设计值，对冲动式汽轮机而言，静叶片承担了大部分焓降，因此静叶片的冲角适应性直接影响机组的变工况性能。主汽叶栅型线采用小的进汽侧内背弧过渡圆Ds1设计，在保证叶片强度的条件下，Ds1仅为叶型最大厚度Ds3的16%～23%，比传统叶型减少了45%～52%，所以比传统叶型具有更大的冲角适应性范围。

图4 高压级效率与叶片宽比的关系

进汽边加长导流叶栅型线采用小的进汽侧内背弧过渡圆Ds4，新型的结构有效地减少了由于导流叶栅厚度所引起的对蒸汽的阻流作用，导流叶栅的进汽侧圆角与最大厚度间采用高阶光顺曲线连接，这样的型线设计可使汽轮机在变工况运行时，在导流流道中缓解由于汽流进口角变化在进口部分所形成的扩压，汽流速度变化率连接平滑，提高了导流流道的蒸汽流动效率。

3 新型高压级隔板静叶栅强度特性

常规结构的高压级隔板采用加强筋设计保证了隔板的整体强度满足汽轮机设计工况及变工况运行的要求，新型隔板静叶栅的进汽边加长导流叶栅的加长段在保证隔板强度的机理上与常规设计相似，有效地提高了汽轮机高压级段焊接隔板内外围带的焊接刚度，并满足了变工况运行时前后压差变化对隔板整体强度的要求［4］。

常规设计的高压级隔板叶栅中，当汽流流过加强筋时，静叶槽道中的加强筋引起的激振力，因沿圆周的汽流速度不均匀而引起对动叶片的激振力，影响转子动叶的强度和做功的效率。新型设计两主流叶栅间以及进汽边加长导流叶栅和主流叶栅间的节距相同，且型线经过气动优化设计，保证了主流叶栅与导流叶栅受汽流负载相同，降低了在隔板静叶栅蒸汽流道中产生冲击应力对隔板与叶片连接处的强度的影响，有效提高了隔板静叶栅的整体强度；减少了隔板静叶栅出口汽流对于动叶片的激振力的影响。不均匀流场引起的动叶片的激振力现在很难进行准确的测量，只能通过数值模拟的方式得到静叶栅出口的汽流分布情况与相应频率的经验曲线进行对照分析，新型隔板静叶栅出口汽流对于动叶片的高频激振力（K=1，K=2，K=3）如图 5 所示。

图5 静叶栅出口汽流对动叶片的激振力

通过有限元分析，隔板的最大主应力发生在静叶与外侧围带连接处附近，且在进汽一侧。新型结构由于采用了层流叶型设计，主流叶栅叶型的最大厚度Ds3相对于传统叶型增加43%～58%，一方面提高了叶栅适应汽轮机变工况运行的能力，另一方面增强了主流叶片的刚性。进汽边加长导流叶栅的宽度Bs1为隔板体宽度B的72%～82%，有效地解决了在运行中承受翻转力矩的隔板体内外环由于高压级隔板宽度B远远大于主流叶栅宽度Bs2的强度问题。进汽边加长导流叶栅与主流叶栅出汽侧内背弧型线的一致性，特别是出汽边厚度Ds2是完全一致的，两类叶栅型线具有相同的最大厚度Ds3，有效提高了隔板叶栅的整体刚度。

新型隔板静叶栅的两类叶栅的布置方式，如图6所示。通过气动计算分析和试验及隔板体强度分析和试验，主流叶栅的叶片数n与进汽边加长导流叶栅的叶片数N关系为：2（N-6）≤n≤2N。进汽边加长导流叶栅安装角βs1=68°～76°，主流叶栅安装角βs2=36°～44°，由于其与主流叶栅具有相同的出汽侧内背弧型线，所以不论两类叶栅在隔板体周向上如何布置，叶栅通道中任两只静叶片间的节距t都是相等的，且主流流道喉部都是完全相同的，这就保证了蒸汽在动、静叶栅通道中流动的稳定性。

图6 进汽边加长导流栅与主流叶栅型线及布置图

4 结语

通过对汽轮机新型高压级隔板主流叶栅及进汽边加长导流叶栅型线的气动优化设计和试验分析，降低了叶型损失，提高了蒸汽在叶栅通道中的流动效率，同时保证了高压级隔板叶栅弧段的强度，提高了机组运行的安全性和稳定性，该新型隔板静叶栅已成功应用于我公司设计生产的超高压及高温高压热电联产冲动式汽轮机的高压级段的焊接隔板的静叶栅，有效提高了高压缸的效率。