某型汽轮机排气总压探针设计研究

袁 帅 孙 琪 王晓良 刘忠奎 刘 岩

(中航工业沈阳发动机设计研究所，辽宁 沈阳 110015)

某型汽轮机排气总压探针设计研究

袁 帅 孙 琪 王晓良 刘忠奎 刘 岩

(中航工业沈阳发动机设计研究所，辽宁 沈阳 110015)

为了分析冷凝式汽轮机的气动性能,改进优化排气部件,提高整机效率，对排气缸出口的总压气动参数进行测试具有重要意义。针对某型汽轮机排气总压的测试需求，结合功能性与可靠性，专门设计了一种适合水蒸气测量的总压探针。研究了探针测试安装的密封形式以及被测介质的冷却方法等设计关键，对主体结构强度进行了详细分析。最后，利用亚音速风洞对整支探针进行了分段连续地气动校准，校准结果表明探针精度满足测试使用，为某型汽轮机的排气总压测试提供了工程急需的技术手段。

汽轮机 蒸汽压力 总压探针 结构设计 校准

0 引言

一直以来，汽轮机都是能源电力和交通运输等领域的主要动力装置，随着社会能源与环境问题的日益凸显，现役数量庞大的老式机组所暴露出的效率低、性能差等缺陷与当前经济社会发展的主题和需求严重不符，迫切需要对其升级改造[1]。排气缸作为凝气式汽轮机的重要组成部件，从李殿玺等[2]和李军等[3]对排气缸研究现状与技术进展进行的综述可见，对其气动性能的分析成为国内外研究人员关注的焦点。由陈胜利[4]等和方守印[5]等关于排气压力对汽轮机运行的影响分析可知，排气总压气动参数是关系到部件及整机改进优化的重要依据。相对国外而言，国内由于不具备这一测试关键技术，一直影响着研制进程。例如由于缺乏对某型汽轮机出口蒸汽总压的测试条件，所以只能在空气环境下进行一些整机模拟试验。为此，本文给某型汽轮机专门设计了一种适合全蒸汽试验的总压测试探针，为某型汽轮机的研发提供了不可或缺的测试保障。

1 关键技术研究

某型汽轮机排气缸出口总压测试要求对测试探针的设计给出了如下参数：①水蒸气环境湿度(1-x)=15%；②总压P*=0.25 kg/cm2(换算为25 kPa)；③总温T*=100 ℃(换算为373.15 K)；④流速v=70～300 m/s。

由空气动力学基础[6]可知，音速c与气体性质及气体温度有关，即：

(1)

式中：k为绝热指数；R为气体常数。

马赫数M与气流速度v的关系为：

M=v/c

(2)

查阅水蒸气性质表可知：过热蒸汽k=1.3；饱和蒸汽k=1.035+0.1x(x为蒸汽干度)；蒸汽R=461.5J/(kg·K)。通过计算可得，待测环境的马赫数为M=0.68，因此可确定测试探针的设计类型为亚音速总压探针。

根据排气口流道内介质和流场的特点，从长期的蒸汽侵蚀和相对均匀的流场实际出发，探针测点的设计形式采用不敏感角相对偏小、内置于支杆的半球窝形。该结构可以减少外部焊接及工艺槽尺寸，提高焊口对水蒸气侵蚀破坏的耐受性，保证测试的可靠性并延长探针使用寿命。

1.1 接口密封形式

一般航空发动机的整机或部件流道内为高压空气或燃气介质，给测试探针预留的安装接口尺寸相对较小，普通密封等级即可满足要求。而某型汽轮机的插入式测量与以往航空发动机的插入式测量不同，冷凝式汽轮机特有的工作原理决定其排气缸的排气口至冷凝器一段为负压流路。如果测试探针在安装部位发生压力泄漏，就会对汽轮机的稳定运行带来影响，轻者降低效率，重者直接加速低压部件的劳损，所以安装接口的密封技术是设计探针需要特殊考虑的，必须符合待测介质的密封要求。

工业上机械密封分为静密封和动密封，探针与整机之间属于静密封连接。静密封又分为垫片密封、自紧密封、胶密封、填料密封、密封圈密封、螺纹密封和研合面密封等。除了在压力和密封性要求较高的情况下，使用密封圈密封(按密封圈国标件尺寸配加工矩形密封槽)较多以外，一般简便可行的垫片密封技术使用相对更为广泛。为此，探针接口的局部设计采用垫片密封方案。

在垫片密封设计中，根据密封介质的温度、压力和理化特性，通过选择不同的密封结构和密封垫材料，并施加足够的压紧力来消除泄漏，达到密封效果。对于密封结构而言，六孔圆形法兰的压紧点分布均匀，安装形面与测试开孔贴合效果好，被确定为测试探针密封垫的压紧结构。石棉橡胶板是使用量最大的密封垫材料。根据性能及途径的不同，它可分为高压石棉橡胶板、中压石棉橡胶板和低压石棉橡胶板，主要适用于水、蒸汽、空气、气体/液体氨及惰性气体，其使用条件如表1所示[7]。综合考虑测试探针实际工作环境，密封垫选用低压石棉板XB150，可满足对某型汽轮机蒸汽介质流路负压环境的测试开孔密封。

表1 石棉橡胶板类型和使用范围(参见GB/T 3985-2008)

1.2 蒸汽冷却方法

排气总压测试探针作为一次仪表的前端受感部，其后需要与压力扫描阀连接。常用的Scanivalve扫描阀使用温度为0～70 ℃，因此某型汽轮机排气口蒸汽由探针引出后需要降温冷却，保证待测介质温度在扫描阀允许的温度范围内。

蒸汽冷却的方法很多，常见的形式有通水或通气的冷凝罐。在没有特殊要求的情况下，更为简单易行的方案是直接利用一段冷却导压管，在引压的同时达到冷却的目的。李汶蔚等[8]对比了几种不同内壁结构冷却管的应急换热特性，并做了一些关于换热系数关系和系数变化规律的试验，结果表明：在特定条件下，内壁带肋结构的冷却管换热系数是光壁管的3倍左右。这里鉴于内壁肋结构的加工复杂性，可以考虑结构类似的外壁肋冷却管，或一定长度的光壁管来达到降温目的。赵武等[9]对冷却导压管长度与过热蒸汽冷却之间的关系进行了较为详尽的分析，为管长估算提供了方法。

由流体力学基础可知，冷却导压管内的水蒸气相对静止，处于一种动态平衡状态，其冷凝过程可划分为L1、L2和L3三段，如图1所示。L1段为过热蒸汽转为饱和水蒸气的过程；L2段为饱和水蒸气恒温放出潜热，生成同温冷凝水的过程；L3段为冷凝水降温的过程。

图1 冷却管换热原理图

由某型汽轮机排气口给定的蒸汽特性参数可见，该处蒸汽仍处于湿饱阶段，尚未达到过热蒸汽的程度，所以冷却状态主要处于L2段和L3段。根据吸热速率与散热速率相等的能量守恒原则，建立L2和L3两部分的平衡状态方程。

① L2段散热途径为先导管传热后空气散热以及L3段吸热，则有:

(3)

式中：ΔT为热传温差；R2为L2段等效串联热阻，求法同L3段R3。

吸热来源为保证饱和水蒸气不冷凝成水的冷凝潜热，则有:

Q2吸=r潜热ρ水蒸汽V

(4)

②L3段散热途径与L2段的前部分相同，即先导管传热后再与空气进行对流与辐射联合散热，则有:

(5)

L3段吸热来源为L2段通过蒸汽和导管两路介质的导热，由平壁截面的传热公式Q=SλΔT/δ可得到Q3吸，其中截面厚度δ即为待定的L3段管长l3。对于蒸汽和导管而言，公式中除了接触面积S不同以外，其余变量均相同。

根据航空发动机的测试经验，冷却导压管选用尺寸规格为φ6×1、导热系数λ=350W/m·℃的紫铜管，将上述①和②中的两个平衡方程联立，可计算出满足扫描阀的使用温度范围，使100 ℃的水蒸气降温至70 ℃以内所需冷却导压管长度的最小值，即为L2与L3两段的长度和。

冷却导压管两端分别采用球头压帽与内锥外螺纹的对接结构，与测试探针和压力扫描阀连接。这种对接方式可以做到无泄漏引压，保证管内压力处处相等，消除导压管内因冷却产生的冷凝水对压力测量值的干扰。

2 主体结构设计与强度校核

某型汽轮机排气缸出口总压测试要求还对测试探针设计提出了如下尺寸要求：①蒸气排气口尺寸1 200mm×900mm，在930mm内均布16个测点；②内部结构提供两个支撑点，相互之间及与排气口内壁距离均为l′=300mm；③预留测试安装孔尺寸φ50mm。

根据强度和堵塞比兼顾的设计原则，该测试探针的大跨度支杆由1Cr18Ni9Ti材料的圆管冲压成扁平状圆杆。这种圆杆形截面的气动性能更好，强度也比去除材料加工而成的圆杆更加优越。

在测试探针支杆形式确定以后，按支杆实际伸入流道的长度L(930mm)进行强度校核。该全尺寸大跨度探针的装夹形式不同于常规单悬臂和一固一支的双支点安装方式，是有两个简支点的三支点固定方式，其力学模型可以简化为一固两支的超静定问题。解决的方法就是选择性去除过约束，列出形变平衡方程，求出替代过约束的支反力。其总受力模型可以看成双支点和单悬臂两种简单载荷作用的叠加，如图2所示。

图2 单悬臂与双支点简单载荷受力图

图2(a)中，m与P为单悬臂载荷的等效弯矩与作用力。根据两个简单载荷的挠度公式[10]，列简支点A处的挠度平衡方程：

(6)

式中：q为杆长L单位长度所受的气动力；EI为抗弯刚度、弹性模量与惯性矩的合称；l=2l′，得到支反力FA。

然后对固支点列静力矩平衡方程，可求简支点B上的作用力FB，随即可画出总模型的剪力与弯矩图，如图3所示。

图3 总模型的剪力与弯矩图

最大应力值为弯矩M极大值与该处抗弯截面模量W之比，即：

(7)

综合上文所述的测点、安装面以及本节所讨论的支杆，某型汽轮机排气出口半球窝式总压测试探针的总体结构如图4所示。

图4 总压探针结构图

3 气动校准

测试探针加工完成后，为保证在某型汽轮机试验过程中测得的数据准确可靠，需要对其进行气动校准。由于汽轮机流道内环境介质为水蒸气，校准工作也应在湿蒸汽风洞下进行。

早在20世纪80年代，欧洲就有探针标定的试验小组开展过风洞标定的对比性研究工作。汪丽莉[11]等对德国斯图加特大学流体机械研究所所做的关于气动测试探针在空气、湿蒸汽及过热蒸汽风洞下的标定试验进行了详细介绍。通过试验数据的对比，得出了以下结论：可用空气风洞取代复杂的过热蒸汽或湿蒸汽风洞，且无论空气风洞是封闭或开放式，较大的喷口直径都有利于减小因风洞类型不同而产生的影响。这为本文探针校准的化繁为简提供了参考依据。

在开放式亚音速空气风洞进行探针校准的过程中，由于为某型汽轮机设计的全尺寸大跨度探针长度较大，故对整支探针采用逐点连续校准的方法，在±15°角度偏转5°调节的条件下，随机截取了某测点的校准数据。表2给出的是马赫数M=0.5时，测点7校准总压及误差。从数据结果可以看出，测点精度在0.3%以内，探针气动性能良好，满足测试准确度要求。

表2 M=0.5测点7校准总压及误差

4 结束语

本文分析了某型汽轮机的待测介质特性及测试工作环境，在综合气动测试、传热学和工程力学等多学科的基础上，从工程实际出发，专门针对某型汽轮机排气出口设计了一种排气总压测试探针，为汽轮机的试验运行提供了必需的测试手段。当然，某型汽轮机测试用全尺寸大跨度探针的设计和使用尚属首次，其测试结果包括文中提及的冷凝水对测压值存在的影响及预防措施都有待检验。同时，其他可能存在的隐性问题还需要随着某型汽轮机试验的不断推进，在后续测试过程中不断显露，并结合技术状态和数据分析逐步改进完善。

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Research on the Design of the Probe Measuring the Total Pressure of Exhaust of Certain Type of Steam Turbine

In order to analyze the aerodynamic performance of condensing type of steam turbine, improving and optimizing the exhaust part, thus enhancing overall efficiency are significant for testing aerodynamic parameters of total pressure at exhaust outlet. In accordance with the test requirement of total pressure of exhaust, and combining with functionality and reliability, the probe suitable for steam measurement is specifically designed. The key of design, e.g., the seal form of the probe test and installation and the cooling method of the measured media are researched, and the main structural strength is analyzed in detail. Finally, by adopting subsonic wind tunnel, aerodynamic calibration of the entire probe is conducted piecewise and continuously. The calibration result demonstrates that the accuracy of the probe meets test use; it provides technical measure for engineering emergency needs in total pressure of exhaust of certain type of steam turbine.

Steam turbine Steam pressure Total pressure probe Structural design Calibration

袁帅(1985-)，男，2010年毕业于大连理工大学机械电子工程专业，获硕士学位，工程师；主要从事气动测试仪表设计研究。

TH812

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201504015

修改稿收到日期：2014-08-27。