新型高效909mm末級動葉片研發(fā)

蒲守武， 范志飛， 杜小琴， 周顯丁， 尹明艷， 李音， 茍小平， 梁文杰， 李昊

（東方電氣集團東方汽輪機有限公司， 四川德陽， 618000）

0 前言

隨著我國提出 “碳達峰， 碳中和” 目標， 新能源裝機比例迅速提升， 同時電力消費增長減速，電力供需形勢由偏緊轉(zhuǎn)為寬松、 部分地區(qū)過剩，電網(wǎng)負荷的峰谷差變大。 新能源快速發(fā)展， 煤電設(shè)備利用小時逐年降低， 燃煤機組發(fā)電負荷率普遍偏低， 燃煤機組發(fā)電負荷率在40%～80%占比達55%， 煤電機組的總體功能由電力、 電量的主體作用向基荷、 調(diào)峰功能轉(zhuǎn)變。 由于已有末級動葉片的設(shè)計點均為THA 工況， 40%～80%負荷效率較低， 在低負荷區(qū)機組的經(jīng)濟性顯著降低， 在深度調(diào)峰運行時存在安全風(fēng)險。 因此， 決定全新開發(fā)適用于寬負荷運行的新型高效909 mm 末級動葉片。

1 末級葉片開發(fā)流程

低壓長葉片模塊由蒸汽參數(shù)、 背壓范圍和功率等級確定。 基于600 MW、 660 MW 等級濕冷機組新建和改造需求， 確定了新型高效909 mm 末級動葉片設(shè)計額定背壓及適用背壓范圍， 可主要應(yīng)用于火力發(fā)電超超臨界、 超臨界、 亞臨界， 中間再熱600 MW、 350 MW 等級汽輪機機組和全轉(zhuǎn)速核電汽輪機組， 排氣面積為7.5 m2。 長葉片開發(fā)流程如圖1 所示。

圖1 長葉片開發(fā)流程

2 氣動設(shè)計

現(xiàn)階段火力發(fā)電汽輪機機組在實際運行過程中， 在非額定設(shè)計工況下運行占比較大， 除了需要保證機組在THA 工況高效運行外， 還要保證部分負荷的效率處于較佳運行工況內(nèi)。 采用了經(jīng)過實際運行業(yè)績驗證的大型商業(yè)軟件NUMECA、CFX 軟件分析末級葉片的相關(guān)特征參數(shù)對末級葉片的性能影響， 如速比、 反動度、 排汽角等， 詳細設(shè)計對變工況性能影響較明顯的參數(shù)， 全新研發(fā)了新型高效909 mm 末級靜動葉葉型。

經(jīng)過比選， 末級速比采用0.43。 靜動葉葉型對入口角度的適應(yīng)性非常強， 特別是50%葉高截面攻角在-30°～+30°損失變化非常小， 如圖2 所示。 末級反動度沿葉高分布如圖3 所示， 根部采用大反動度設(shè)計， 頂部反動度相對較小， 整體分布趨勢平緩， 不僅有利于減小根頂部的汽封漏汽損失， 還可使馬赫數(shù)分布趨勢更加平緩， 如圖4所示， 通道內(nèi)最大馬赫數(shù)減小， 有利于減小靜動葉片的損失。

圖2 末級靜動葉50%截面能量損失系數(shù)與攻角關(guān)系

圖3 反動度沿葉高分布

圖4 不同葉高位置馬赫數(shù)分布

圖5 為末級總靜效率隨背壓的變化曲線， 末級總靜效率設(shè)計點位于最高點左側(cè)， 當高背壓升高時， 效率并未遠離最佳運行區(qū)域， 因此設(shè)計點偏離最佳位置的設(shè)計方法有利于提高低壓模塊變工況的性能。 另外， 從余速損失隨環(huán)形速度的變化曲線可以看出， 設(shè)計點位于最低值右側(cè)， 當?shù)拓摵桑?或者高背壓時， 容積流量減小， 環(huán)形速度降低， 效率仍位于最佳設(shè)計區(qū)間內(nèi)， 因此， 將環(huán)形速度設(shè)計點偏離最佳位置的設(shè)計有利于提高低壓模塊變工況的性能， 如圖6 所示。 基于909 mm末級葉片優(yōu)異的寬負荷適應(yīng)能力， 保障了該末級葉片在較寬負荷范圍內(nèi)均能高效運行， 由圖7 可以看出， 該葉片在40%～100%負荷效率均高于95%， 且變化很小， 可大幅提高火電機組綜合經(jīng)濟性。

圖5 總靜效率隨背壓的變化曲線

圖6 余速損失隨環(huán)形速度的變化曲線

圖7 909 末級葉片總總效率隨負荷率的變化

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

909 mm 末級動葉片結(jié)構(gòu)采用了樅樹型葉根，自帶整體凸臺拉筋和圍帶， 扭轉(zhuǎn)恢復(fù)成圈結(jié)構(gòu)設(shè)計。 在安裝狀態(tài)， 相鄰葉片拉筋和圍帶之間均按間隙設(shè)計， 如圖8 所示， 工作轉(zhuǎn)速在離心作用下，相鄰葉片的拉筋和圍帶結(jié)構(gòu)相互擠壓鎖緊， 使得該末級葉片具有高可靠性的成圈特性， 可大幅提高末級葉片結(jié)構(gòu)阻尼、 降低末級葉片振動響應(yīng)、減小葉片的動力作用， 從而提高末級葉片的運行安全性。 另外， 通過調(diào)整圍帶厚度， 可將該葉片各危險節(jié)徑共振轉(zhuǎn)速調(diào)整至安全區(qū)間， 因此該葉片具有極好的調(diào)頻性能。

圖8 拉筋和圍帶安裝狀態(tài)

末葉材料選用17-4PH， 屬于馬氏體沉淀硬化不銹鋼， 該鋼是在常規(guī)馬氏體不銹鋼加入鉬、 鎢、鈦、 鈮、 銅等強化元素， 并降低了碳含量。 這些元素在固溶過程中溶入奧氏體基體， 在馬氏體基體上重新析出與基體共格的碳化物 （如ε-Cu、NbN、 M23C6）， 產(chǎn)生沉淀硬化， 從而提高了鋼的力學(xué)性能。 使得該材料具有強度高、 塑韌性好、 耐腐蝕性好、 抗水滴沖蝕性能好， 更適合在過渡區(qū)和濕蒸汽區(qū)使用。

4 強度振動性能

該葉根、 輪槽具有載荷分布均勻， 應(yīng)力集中系數(shù)小的特點。 葉根和輪槽危險截面拉應(yīng)力遠低于最高溫度運行工況對應(yīng)材料的許用值， 如圖9所示。

圖9 葉根、 輪槽危險截面拉應(yīng)力

基于ABAQUS 采用循環(huán)對稱模型， 對整圈末級葉片進行非線性接觸有限元分析。 得到葉片的應(yīng)力分布， 如圖10 所示， 葉片應(yīng)力較高的區(qū)域為拉筋下部倒圓、 葉型根部進汽側(cè)背弧倒圓和葉根倒圓處。

圖10 葉片應(yīng)力云圖 （3 000 r/min）

隨著轉(zhuǎn)速的升高， 葉身在離心力作用下扭轉(zhuǎn)，相鄰葉片的圍帶和拉筋相繼接觸， 拉筋和圍帶的接觸力隨著轉(zhuǎn)速的繼續(xù)升高逐漸達到足夠鎖緊狀態(tài)， 如圖11 所示， 使得葉片彼此連接形成為整圈聯(lián)接結(jié)構(gòu)， 此時葉片具有更高的阻尼特性和剛性，從而大幅降低葉片的振動響應(yīng)，提高葉片的安全性。

圖11 葉片拉筋（左）和圍帶（右）工作面接觸應(yīng)力（3 000 r/min）

基于離心力載荷的應(yīng)力剛化效應(yīng)， 進行了整圈振動特性分析， 如圖12 所示， 該末級動葉片危險節(jié)徑為3、 4、 7、 8 節(jié)徑， 經(jīng)精心設(shè)計， 這些危險節(jié)徑的共振轉(zhuǎn)速均能避開2 820～3 090 r/min，并且具有較大避開區(qū)間， 確保了葉片的安全性。

圖12 909 mm 末級動葉片頻率安全圖

5 實物葉片動頻試驗和超速試驗

為確保葉片的安全性， 對低壓轉(zhuǎn)子和末級葉片進行實物葉片動頻試驗和超速試驗。 試驗采用近程無線電遙測法， 裝有整級葉片的產(chǎn)品轉(zhuǎn)子被電機驅(qū)動旋轉(zhuǎn)。 試驗時采用一只噴嘴通入壓縮空氣激振葉片， 葉片受擾產(chǎn)生振動， 由貼于葉身上的感應(yīng)元件拾振， 振動信號經(jīng)遙測發(fā)射機和接收機傳輸?shù)接涗泝x和動態(tài)信號分析儀系統(tǒng)。 采用LMS SCM202 信號調(diào)理組件和Test.Lab 軟件進行數(shù)據(jù)記錄、 分析和處理， 依據(jù)在激振試驗中測得的葉片振動數(shù)據(jù)確認整圈葉片的 “三重點” 共振頻率及共振轉(zhuǎn)速。 通過實物試驗和調(diào)頻， 該末級動葉片在2 820～3 090 r/min 無 “三重點” 共振， 如圖13 所示。 通過超速試驗驗證了該末級葉片結(jié)構(gòu)具有良好的安全可靠性。

圖13 909 mm 末級動葉片實測坎貝爾圖

6 結(jié)論

開發(fā)的新型高效909 mm 末級動葉片是適用于寬負荷運行， 高效、 可靠性高的大型汽輪機末級葉片， 具有在較寬負荷范圍內(nèi)氣動性能均較高，結(jié)構(gòu)可靠性好和振動特性優(yōu)的特點。 滿足火力發(fā)電機組作為基荷電源寬負荷運行的需求， 提高了機組在低負荷工況的燃煤經(jīng)濟性， 降低了碳排放，助力我國實現(xiàn)“碳達峰、 碳中和” 的宏偉目標。