雙轉子互換高背壓改造葉片安全評估

李澤培，謝蘇燕，劉全

(東方汽輪機有限公司，四川德陽，618000)

雙轉子互換高背壓改造葉片安全評估

李澤培，謝蘇燕，劉全

(東方汽輪機有限公司，四川德陽，618000)

汽輪機在供熱期和非供熱期采用雙低壓轉子互換，是實現(xiàn)高背壓供熱改造的一個行之有效的手段。采用雙轉子互換的高背壓改造方案，除了系統(tǒng)結構方面的考慮外，仍需要對采暖期的低壓去級轉子的末葉進行安全性評估，以保證其能滿足末級葉片高背壓運行的要求。文章著重分析了高背壓末葉安全性的考慮因素，并對葉片可能的顫振風險進行了論證。

高背壓改造，雙轉子互換，末葉，顫振

0 引言

高背壓供熱機組是近年為適應北方采暖供熱而出現(xiàn)的改造型機組，是電廠滿足對外供熱需求和提高機組效率的有力措施。300 MW等級的濕冷汽輪機一般通過在供熱期和非供熱期采用雙低壓轉子互換方案，來實現(xiàn)高背壓供熱改造。采暖期時，低壓缸排汽壓力升高，排汽溫度提高，加熱進入汽輪機凝汽器的熱網循環(huán)水，使其供熱、冷源損失降為零，提高機組的循環(huán)熱效率。采暖季高背壓運行的低壓轉子，在原有轉子基礎上進行改造，拆除部分級次動靜葉，增加導流環(huán)結構來代替，軸系轉子結構不變。這樣的改造方案可以有效降低電廠更換轉子的周期和難度，帶來最大的經濟收益。

機組采用雙轉子互換技術進行高背壓改造，為實現(xiàn)采暖供熱期高背壓和非采暖供熱期常規(guī)純凝低背壓運行功能，在汽輪機的改造設計過程中，除了需綜合考慮汽輪機通流、本體、軸系、輔助及回熱系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及其他方面存在的主要問題，還必須論證高背壓時末級葉片的安全性問題，包括顫振的風險。

這是因為，高背壓轉子一般是在原有轉子基礎上去級運行，原來的中間級次將要承當末級葉片的變背壓功能，需要重新按照末葉的設計標準體系來評估高背壓轉子末葉的強度、振動安全性。相對而言，曾經的中間級次葉片展弦比相較末級而言要大得多，若葉片的剛性不足，顫振的風險必須考慮。本文將探討雙轉子互換方案中高背壓末葉的安全評估。

1 常規(guī)蒸汽彎應力評估

高背壓工況時，低壓去級后的各級葉片，尤其是末級葉片，相對于原來的純凝工況，焓降分配會發(fā)生變化，蒸汽彎應力水平也會改變。特別地，若高背壓工況下，末級葉片背壓較純凝時級后壓力變低，會導致級功率顯著增大，此時必須考核蒸汽彎應力水平，必須滿足末葉的考核準則。

隨著背壓的降低，末級葉片承擔了絕大多數(shù)的負荷，當達到極限阻塞工況時，動葉的切向力和載荷最大，為葉片的強度校核工況。

2 小容積工況顫振評估

當機組在小容積流量下工作時，低壓缸末級氣動特性將急劇惡化。末級首先在動葉根部和靜葉頂部處的氣流發(fā)生脫流，形成2個旋渦區(qū)，末級通流效率將大大降低，低壓缸效率也會受到較大影響，由于渦流引起的鼓風損失及其他附加損失，使汽流被加熱，溫度升高，影響排汽缸軸承標高，危及軸系振動安全性。當容積流量進一步減小，末級一部分汽流做的功率等于消耗的功率時，末級不再輸出功率，此工況稱為零功率工況，此時對應的軸向出口馬赫數(shù)大約為0.20～0.27。容積流量再減小超過此工況時，末級完全在鼓風工況下運行，溫度急劇上升，這是必須避免的。

末級葉片的級焓降大，動葉出口速度高，變工況情況復雜。在高背壓、小流量工況下葉頂出現(xiàn)大的負攻角，在葉片內弧產生脫流區(qū)，引起作用于葉片上的氣動力改變等。葉片周圍非穩(wěn)定流場的氣動力與葉片振動之間相互耦合，就會產生流體與葉片之間的能量傳遞。在小容積流量工況下，動葉進口大負攻角引起大尺度分離流誘導的一種“自激振動”，就是失速顫振。沿葉高將各截面?zhèn)鬟f的能量進行積分，如果是流場的能量不斷輸入到葉片系統(tǒng)中，則葉片的振幅就會不斷增大，發(fā)生顫振。顫振就是系統(tǒng)負阻尼引發(fā)的系統(tǒng)不穩(wěn)定性發(fā)散振動。

作為工程應用，對于顫振經驗的方法可以計算葉片特征截面的改進斯特勞哈爾數(shù)。以自由葉片形式工作的葉片，當經驗參數(shù)SE小于許用值時，結構具有足夠的剛性，不會發(fā)生顫振。GE等世界知名公司經過分析和試驗研究均認為采用整體圍帶和拉筋使葉片成圈，這種結構是防止顫振最有效的措施。由于葉片顫振時，往往是葉尖附近的一段從氣流中吸取能量，而沿葉高的另一部分是將能量傳給氣流，選擇葉尖附近某一位置表示平均效應，一般取0.85相對葉高處的截面作為特征截面。

式中：

w—相對氣流速度；

ω—最低振動模態(tài)的角速度；

c—特征截面弦長；

b—葉片節(jié)距；

ρs—蒸汽密度；

ρm—葉片材料密度。

3 小容積流量工況動應力水平評估

理論上通過對低壓模塊建模，根據(jù)實際的邊界條件進行流固耦合分析，可以相對精確地模擬葉片的動應力水平，通過數(shù)值模擬結果，評估末級動葉片的安全性。事實上，隨著計算機硬件水平的提高，很多商用軟件已經提供流固耦合計算動應力的功能模塊。然而，容積流量減小，流線開始扭曲，汽流在導葉擠向根部，在動葉則偏向外緣。隨著流量的進一步減小，這種趨勢也更為加劇。當容積流量減小到某一數(shù)值，動葉根部出現(xiàn)脫流。動葉根部出現(xiàn)脫流以后，容積流量再進一步降低時，在葉間間隙（噴嘴出口邊到動葉進口邊之間的軸向間隙）的外緣部分就產生渦流。主流沿葉片的外緣部分向出口流動，在葉根凝汽器側空間的冷濕蒸汽從排汽管向通流部分運動。小容積流量工況流動的非定常特性更為明顯，對于小容積工況的流場還沒有比較理想的計算方法，在此基礎上進行動應力分析就更具挑戰(zhàn)了，目前工程應用中實用性不強。

綜合各種文獻資料的試驗研究結果，在高背壓小容積流量下，末級動葉片動應力放大約3～18倍。高限值應對應阻尼小、剛度小、有可能發(fā)生顫振的自由葉片，低限值應對應阻尼大、剛度大、不可能發(fā)生顫振的成圈葉片。圖1所示是成圈葉片中末級葉片動應力隨背壓變化試驗曲線。由于小容積流量工況時的流動是高度非定常，汽流激振不穩(wěn)定，直接數(shù)值評估難度太大，誤差也無法評估。可以利用在設計工況時的定常數(shù)值分析結果，考慮一定的放大系數(shù)，通過這種半經驗的方式，計算小容積工況下的動應力水平，來作為末級動葉片的安全性評判依據(jù)。

圖1 末級葉片動應力隨背壓變化試驗曲線

4 實例分析

以上面的設計思路對某300 MW等級濕冷機組低壓轉子進行高背壓改造設計。該機組高背壓工況設計背壓54 kPa，純凝工況為6級，其中次次末級級后壓力49 kPa。工況論證后選取去兩級運行的通流方案，即原次次末級321葉片成為高背壓時的末葉。①按照阻塞工況校核高背壓時的蒸汽彎應力水平，滿足設計準則。②采用自帶冠成圈結構，保證末葉具有較好的結構剛性，同時提高整體的氣動阻尼效果，提高結構顫振的閾值。③對頂部截面校核SE數(shù)，321葉片的該指標遠低于設計準則。④按照定常工況計算末級321葉片0～11節(jié)徑的動響應，根據(jù)工程經驗，評估計算小容積流量工況下葉片的動應力水平。

8節(jié)徑1階動頻避開率為3.95%，較其他節(jié)徑的避開率小。響應在共振點時達到最大，由于系統(tǒng)的阻尼作用，偏離共振點時，響應迅速衰減。故而避開率越大，響應會越小。另外，當節(jié)徑增加，維持響應耗能更大，動響應水平也會隨之降低；反之，低節(jié)徑的響應更危險。所以，分別計算了7、8節(jié)徑一階的動響應，用于衡量該321.3葉片的整體動響應水平。

在8節(jié)徑動響應分析中，正常周波時動應力值為1.77 MPa，如圖2所示。

圖28 節(jié)徑1階動應力（正常工況）

對比計算7節(jié)徑1階的動應力水平，正常周波時動應力為0.56 MPa，如圖3所示。

圖37 節(jié)徑1階動應力（正常工況）

由計算可知，綜合考慮避開率和節(jié)徑影響，動應力水平很低，都是小于2 MPa。基于小容積流量下動應力測試結果表明（見圖1），在小容積流量下，一般是10%～20%范圍內，動應力迅速放大，成圈葉片放大比例一般為3～5倍。保守考慮放大系數(shù)5倍，則小容積流量下，運行工況下動應力最大為10 MPa，根據(jù)動應力評判規(guī)范，即使動應力在小容積流量下放大，也是滿足設計規(guī)范的。

321.3 末級葉片阻尼特性強，小容積工況下強度、剛度滿足設計要求，不會發(fā)生顫振。

5 結論

本文對雙轉子互換高背壓改造中供熱期的低壓轉子通流設計進行了探討，并對某300 MW等級濕冷高背壓321葉片的安全性進行例證分析?；诜治鼋Y果表明，該葉片滿足高背壓運行要求，不會發(fā)生顫振。本文論述的末葉開發(fā)分析過程，對于高背壓改造中采用雙轉子互換方案的末葉安全性評估具有工程參考價值。

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圖6 葉根輪槽變形（相對轉速0.8）

5 結論

通過本文對樅樹型葉根間隙流量系數(shù)試驗結果的分析，可得出以下結論：

（1）旋轉過程中由于樅樹型葉根和輪槽均發(fā)生不同程度的變形，樅樹型葉根間隙流量系數(shù)隨轉速的升高有所增大，但增大的量不是很大；

（2）一定壓比范圍內樅樹型葉根間隙的流量系數(shù)隨壓比的升高變大，壓比達到一定量值后趨于穩(wěn)定；

（3）樅樹型葉根間隙流量系數(shù)和平衡孔相比較小，葉根間隙設計時應給予考慮；

（4）試驗得到不同工況下樅樹型葉根間隙的流量系數(shù)，可以為計算模型的修正提供試驗數(shù)據(jù)的支撐，為熱力計算和工程應用提供準確的取值方法。

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Safety Assessment of High Back-pressure Retrofit Blade with Double Rotors Swap

Li Zepei，Xie Suyan，Liu Quan
（Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

Using double low pressure rotors swap in the heating period and non-heating period is an effective mean to achieve high back-pressure retrofit.The retrofit scheme of double LP rotors swap,besides the consideration of system structure,still needs to make safety assessment of the last stage blade during the heating period,to ensure meet the requirement of the last stage blade high back-pressure operation.This paper analyzes the safety factor of the last stage blade in the high back-pressure and the potential risk of blade flutter.

high back-pressure retrofit,double rotors swap,last stage blade,flutter

TK263

A

1674-9987（2015）04-0013-04

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2015.04.004

李澤培（1983-），男，工程師，畢業(yè)于華中科技大學熱動專業(yè)，主要從事汽輪機葉片設計工作。