大功率汽轮机低压缸的改进方案

周珩磊

（哈尔滨汽轮机厂有限责任公司，哈尔滨 150046）

1 引言

通过对动力汽轮机结构的分析可以得出结论：汽流在汽轮机通流部分中的轴向流动和它在汽缸进出口处的径向流动之间存在着矛盾。这就导致汽轮机结构和制造工艺的复杂化。此外，可靠性降低，并在进汽管、分流器及汽缸通流部分前几个轴流级中出现附加的能量损失。出现这些损失的原因是：（1）由供汽管通过有限的径向空间进入轴流级的汽流在轴向和径向不均匀，这种不均匀汽流严重影响到低压的通流部分，对随后几级叶片的效率产生不利的影响；（2）核电汽轮机低压缸中在个别工况下由转子热膨胀引起的轴向间隙变化可达到40mm 甚至更大，从而导致通流部分设计流型的重大变化及其组成元件性能的改变；（3）前几个轴向级隔板汽封有漏汽，以及在分流器后方第一个和随后几个轴流级工作汽道中近根区的汽流结构变形，从而降低了其效率。

这些现象在很大程度上使占整个火电汽轮机出力30%～35%或占整个核电汽轮机出力65%的低压缸成为整个汽轮机级中效率最差的部分。

2 结构方案对比

在汽轮机低压缸通流部分结构中按已知技术应用了切向进汽和由径向导叶和轴向叶轮组成的级。根据研究结果，在大功率汽轮机低压缸中采用这种级的同时，还附加采取了一些改进进汽段的措施，从而使低压缸效率提高了2%～3%。

这种结构提高经济性的原因如下：

在按一定规律成型的汽道中汽流状况较好，能量损失最小；旋转汽流对环形汽道表面的摩擦力进一步增加了转子转矩，因为这些摩擦力方向与旋转方向一致；

在动叶列入口处形成较均匀的汽流速度场和进汽角，从而减少了动叶栅中的损失。

在几何参数未经优化的小高度叶片单流模型级上进行的一系列证明，这种由径向导叶和轴向叶轮组成的级的效率相当高；按滞止参数计算的效率最大值为0.87～0.88。

显然，这种级的可靠性并不比通常的轴流级差，应用于汽轮机低压缸通流部分能避免传统进汽段的缺点。

例如，利用对300MW、500 MW、800MW 汽轮机通用化低压缸通流部分进行的试验数据和热力计算，完成了改进和完善低压缸的两个主要结构方案的研究：

“小”改进方案是为了提高以前制造并已安装在电站上的汽轮机的技术经济指标；

“大”改进方案是为300MW 和更高功率的汽轮机设计和研制新的完善化低压缸。

在进行“小”改进时提出：使PCAOK 级的焓降与原低压缸第一个轴流级的相同：第一个轴流级叶轮的几何特性没有变化、但其内轮廓转角。与原结构相比，每个流向的第一级轴向尺寸缩短了大约115mm，从而能实现下列通流部分改进方案：

不改变级间轴向间隙，即不改变通流部分子午面张角，把中间几级向第一级方向稍加挪动。

为了改善第二级后的流动，把第二和第三级间的轴向距离增大了20mm，改善了第二级后面的抽汽状况，可提高第三级的效率。为了减小末级隔板的子午面张角，把它和末级叶轮之间的轴向距离增大95mm，而余高仍保持原有值，因此使末级子午面张角可从50°减小到36°。预期借此可提高末级效率1%～2%。通流部分的上述改进可在低压缸转子和内缸不作太大的变动情况下实现。

对于“大”改进方案，在下列附加条件下进行了PCAOK计算：

径流-轴流级的焓降相当于原低压缸第一级和第二级的焓降，为此将其叶轮平均直径从1499mm 增大到1910mm；

所有级的根部直径与原来相比增大到1730mm；分流器的内轮廓也转角。

在末级动叶保持原有高度（即960mm）时，不宜把其前几级叶片的高度大幅度降低，因为这样会导致通流部分张角增大，从而增大了能量损失。较适宜的方法是：大致保持叶片高度不变，而增大根部直径，并重新设计其型线，改变动叶中的速比、反动度和汽流入口角。此时，末级排汽面积增大，余速损失减小。

尽管径流-轴流级的动叶高度比原始方案小，但由于级数减少、新的第一级轴向尺寸也已减小，故可以大大减小通流部分张角（35°）。增大各级间的轴向距离可以更合理地安排抽汽，改善级的进汽条件。

在采用蜗壳形进汽管时，可使载荷整个变化范围内低压缸进口处的级组效率得到更大的提高。此外，采用蜗壳形进汽管时，依靠其中汽流速度的增大，还可以大大减小进汽管的尺寸。

3 结论

（1）研究和结构研究表明，在汽轮机低压缸中采用PCAOK 级来提高效率和可靠性是适宜的。

（2）第一个和第二个轴流级改成PCAOK 级，可以使汽缸内部进一步立体化，从而减小汽轮机汽缸的轴向尺寸，或通过改善汽轮机排汽部分的性能和减小通流部分子午面张角来提高效率。