第４２卷第３期 ２０１３年９月 Ｖ０１．４２ Ｎｏ．３ Ｓｅｐ．２０１３ ３００ ＭＷ等级汽轮机通流改造的叶片设计特点 曾庆娟 （１．上海交通大学机械与动力工程学院，上海２０００３０；２．上海电气电站设备有限公司上海汽轮机厂，上海２００２４０） 摘要：介绍了上海汽轮机厂３００ Ｍ、、通流改造机组的叶片设计特点以及在设计中采用的先进技术，通过与 改造前通流的比对可以看出，改造后的通流安全性和经济性均有所提高，证明改造技术具有广泛的市场前景。 关键词：汽轮机；通流改造；预扭 中图分类号：ＴＫ２６３．３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７２－５５４９（２０１３）０３．０１６８．０３ Ｂｌａｄｅ Ｄｅｓｉｇｎ Ｆｅａｔｕｒｅｓ ｏｆ Ｆｌｏｗ Ｐａｔｈ Ｒｅｔｒｏｆｉｔ ｆｏｒ ３００ ＭＷ Ｃｌａｓｓ Ｓｔｅａｍ Ｔｕｒｂｉｎｅｓ ＺＥＮＧ Ｑ ．ｊ．ａｎ ， （１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｐｏｗｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２００２３０，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｔｕｒｂｉｎｅ Ｐｌａｎｔ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２００２４０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｓ ａ ｐｏｗｅｒ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｓｕｐｐｌｉｅｒ，Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｔｕｒｂｉｎｅ Ｐｌａｎｔ（ＳＴＰ）ｈａｓ ｉｔｓ ｏｗｎ ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ ａｎｄ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ． Ｔｈｅ ａｄｖａｎｃｅｄ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ａｎｄ ｂｌａｄｅ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｏｆ ３００ ＭＷ ｆｌｏｗ ｐａｔｈ ｒｅｔｒｏｆｉｔ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｂｙ ＳＴＰ ａｒｅ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｆｏｒｍｅｒ ｆｌｏｗ ｐａｔｈ ｔｈｅ ｓａｆｅｔｙ ａｎｄ ｅｃｏｎｏｍｙ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｔｒｏｆｉｔｔｅｄ ｆｌｏｗ ｐａｔｈ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｉｍｐｒｏｖｅｄ， ｗｈｉｃｈ ｓｈｏｗｓ ｂｒｉｇｈｔ ｍａｒｋｅｔ ｐｒｏｓｐｅｃｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｓｔｅａｍ ｔｕｒｂｉｎｅ；ｆｌｏｗ ｐａｔｈ ｒｅｔｒｏｆｉｔ；ｐｒｅ—ｔｗｉｓｔｅｄ 目前国内现役的３００ ＭＷ等级的机组大多是 采用上世纪七八十年代设计制造的，其中，上海汽 轮机厂累计生产约２００台，这些机组均以８Ｏ年代 引进西屋技术为基础，然后不断优化和改进。但 这些在役的３００ ＭＷ等级的机组大部分存在通流 效率低、热耗高等问题…。近年来，随着人们节能 件内，尽可能应用新技术，改造尽量少的部套，来 达到提高效率的目的。本文主要介绍上海汽轮机 厂（以下简称ＳＴＰ）３００ ＭＷ通流改造机组的叶片 设计特点以及在设计中采用的先进技术，旨在为 本公司后续通流改造新机型的开发（例如６００ ＭＷ通流改造机组）提供借鉴。 环保意识的增强，提高３００ ＭＷ等级汽轮机通流 部分效率，降低电厂发电、供电煤耗，完成节能减 排目标已成为迫在眉睫的任务。 改造机组不同于新机组设计，为了降低改造 成本，业主通常会尽可能保留现有设备，因此就会 １高、中压通流 １．１调节级 改造前的高压调节级为反流布置，为提高机 组效率，在考虑主蒸汽进汽口不变的前提下，采用 有很多的限制条件。例如基础不动，各轴承座及 轴承跨距就必须保持不变；高、中压外缸及低压外 缸不换，各管道接口位置就不变；低压转子不换， 数值计算方法开展了对喷嘴配汽调节级的高压进 汽结构进行优化和改进的设计工作，旨在降低制 造加工和安装成本，提高设计工况和变工况的气 叶根及装配方式就不变等。做通流设计时必须考 虑通流与各接口、跨距和装配的兼容，这无疑增加 了通流设计的难度，而我们也只能在这些限制条 收稿日期：２０１３—０７—１２ 修订日期：２０１３—０７－２０ 动性能。通过有限元分析计算，优化和设计了新 的进汽腔室，改反流为顺流。其改造结果为：六阀 作者简介：曾庆娟（１９７９．），女，工程师，２００２年毕业于上海交通大学热能与动力工程专业，现攻读上海交通大学机械与动力工程学院动 力工程专业工程硕士学位，长期从事汽轮机通流设计、叶片结构与强度性能分析工作。 圜一－ｌ ３００ ＭＷ等级汽轮机通流改造的叶片设计特点 热力透平 全开状态下顺流设计的总效率要比反流设计的调 １．２压力级 节级效率高约１．８％，在顺流原型的基础上又对 进汽腔室进行了优化，相对于顺流原型，调节级的 效率可提高１．２％ 。 改造前的调节级采用纵树形叶根、铆接围带 的结构，改造后的调节级动叶采用三叉三销三联 体叶片结构，这种结构的叶片具有良好的强度性 能。每组叶片由一块单独的材料通过电脉冲加工 叶片是汽轮机进行能量转换的部件，为了保 证能量最大限度地转换为有用功，不仅要求叶片 具有良好的气动、热力性能，而且应该有足够的安 全性。压力级的主要设计特点有： （１）高、中压压力级的叶片采用ＳＴＰ先进的 整体通流优化技术进行全新三维设计。ＳＴＰ先进 的整体通流优化技术采用目前最先进的三维叶片 而成，这种形式的叶片能够承受最小的部分进汽 运行工况而不会损坏，提高了机组的安全性。 汽轮机级间蒸汽泄漏使得机组内效率降低， 漏汽损失占级总损失的２９％，动叶顶部漏汽损失 则占总漏汽损失的８０％＿３ Ｊ。为了减少动叶顶部 的漏气损失，改造后的调节级动叶叶顶及叶根的 汽封径向间隙均比改造前适当减小，汽封漏汽面 积相对减少，有利于提高调节级内效率（见图１、 图２）。改造前的调节级动叶叶顶为单齿汽封，径 向距离为２．５ ｍｍ；改造后的调节级动叶，其围带 顶部采用迷宫式汽封，径向间隙减小为１ ｍｍ；叶 根底部的汽封也由２．５ ｍｍ减小为１ ｍｍ。 图ｌ改造前的调节级 图２改造后的调节级 通流优化设计程序，根据高、中压通流的热力边界 和转子、汽缸、差胀等边界条件，采用数值优化的 方法进行全三维通流设计。程序对通流的级负 荷、级反动度、根径和叶高等进行优化，自动选取 型线，匹配最佳的气动性能，从而获得最高的通流 效率。通流设计程序中还兼顾叶片强度的考核， 从而确定叶片的最终尺寸，并且这些尺寸可直接 用于叶片的加工、制造。 设计后的高、中压通流如图３、图４所示，在 保持通流跨距基本不变的前提下，高压缸级数由 １１级增加到１３级，高压通流全部采用单Ｔ型叶 根。中压缸级数由９级增加到１０级，由于中压通 流改造前采用纵树形叶根，改造后如果全部采用 单Ｔ型叶根，前两级由于处于中压进口，温度较 高，单Ｔ型叶根齿的接触面积又比纵树形小，无法 满足强度要求，因此中压前两级动叶采用双Ｔ型 叶根，其余级份采用单Ｔ叶根。中压通流采用Ｔ 型叶根后大大改善了原来由纵树形叶根引起的漏 气损失。 图３改造前的高、中压通流 图４改造后的高、中压通流 （２）新型高效的弯掠叶片。高、中压动静叶 片均采用世界上先进的弯掠叶片。根据目前弯掠 叶片在航空和叶轮机械领域内的大量研究和应用 显示，弯掠叶片能有效降低端壁和叶顶间隙损失， －Ｉ一＿囵 第３期 并能控制二次流和损失流体的径向迁移，采用弯 掠叶片可以提高叶片的气动性能和做功能力，使 机组的通流效率得到很大的提高。 （３）预扭叶片。由于叶片的工作环境比较恶 劣，叶片不仅承受到离心力、蒸汽弯应力等静应 力，还承受到蒸汽激振引起的叶片振动等动应力， 而动叶片的损坏大部分是由于动应力过大造成 的。从“叶片安全准则”的角度来看，假设叶片在 运行时，围带之间仍然紧密接触，其成组系数较 低，安全倍率值较大，可以保证叶片安全运行 Ｊ。 为了使运行时叶片与围带之间仍然保持紧密 接触，３００ ＭＷ通流改造的高、中压均采用了预扭 安装。预扭安装是将叶片围带相对叶根先扭转一 个角度，运行时，围带在离心力作用下依次分开 时，围带相对叶根又回转一个角度，仍然保持围带 之间紧密连接。通过预扭安装可以大幅降低叶片 的动应力，保证机组的安全运行。 （４）迷宫式汽封。为了减少内漏，高、中压通 流的叶顶均采用迷宫式汽封，由围带以及转子和 内缸上镶嵌的汽封片组成，汽流在每一个汽封齿 后的腔室产生适当的涡流，以减少叶顶漏汽损失， 提高通流效率。当机组运行不当导致动静摩擦 时，这些汽封齿会轻微磨损掉而不会产生任何温 升。机组运行一段时间后（例如大修），可以方便 地更换汽封片并安装到要求的间隙。 ２低压通流部分 对于低压部分的改造业主存在不同的要求， 有的不要求改造；有的要改造，但要求保留转子； 有的则要求低压转子为全新设计。由于蒸汽的能 量是在叶栅汽道中转换为有用功的，因此汽轮机 的效率很大程度上取决于叶片的设计。鉴于这种 情况，低压通流的改造主要放在叶型的改进上。 对于低压转子全新设计的低压改造，其全新 设计（除末三级外）采用的是先进的通流整体优 化技术，叶片为整体围带纵树形叶根结构，叶片型 线为马刀型。某电厂采用我厂３００ ＭＷ通流改造 方案后，性能试验测得低压缸效率可达９１．７％。 对于保留转子的低压改造，由于叶根不能动， 可供改造的范围很小，仅能将原本的铆接围带直 叶片改为整体围带马刀型叶片（除末三级外），采 固ｉｌｌ｜ ３００ ＭＷ等级汽轮机通流改造的叶片设计特点 用Ｎｕｍｅｅａ软件对低压缸内部通流进行了数值研 究，基于改造前后的叶片型线数据构造叶片，生成 通流区域的网格，在此基础上，对比了改造前后通 流的性能，得出结论：引人马刀技术，提高了通流 能力，也就是在相同的进口总压出口背压下，改造 后的弯掠叶片的流量可提高０．４％。 除末级叶顶外，低压部分静叶持环内径或隔 板外环上及隔板内径处亦装有退让式弹簧汽封或 嵌入式汽封，与动叶围带和转子形成较小的径向 间隙，以减少各级间漏汽。 ３ 结论 通过上述对３００ ＭＷ通流改造机组的介绍， 可知ＳＴＰ在３００ ＭＷ通流改造机组中采用了一系 列先进的技术，从而提高了机组的经济性和安全 性，结论如下： １）３００ ＭＷ通流改造机组中采用调节级反流 改顺流，减少调节级汽封间隙，可提高调节级内效 率。 ２）高、中、低压通流如为全新设计，采用ＳＴＰ 先进的通流整体优化技术，叶型采用全三维弯掠 叶片型式，提高了汽轮机效率；叶片采用预扭安装 形式，提高了机组的安全性。 ３）低压通流如保留转子，可通过引入马刀型 叶片技术来提高通流能力。 某电厂采用我厂３００ ＭＷ通流改造方案后， 由性能试验测得高压缸效率为８５．４１％、中压缸 效率为９２．９３％、低压缸效率为９１．７％。由此可 见，通过上述的改造，３００ ＭＷ通流改造机组的通 流效率和安全ＩＩ生得到了提高，达到了消除老化、减 少内漏、提高经济性的改造目的。 参考文献： ［１］赵杰，朱立彤，付昶，杨寿敏．３００ ＭＷ等级汽轮机通流部分改 造总述［Ｊ］．热力透平，２０１１，４０（１）：３９—４２． ［２］阳虹，杨建道，李军，晏鑫，何阿平，丰镇平．汽轮机调节级气 动性能分析和结构优化设计【Ｊ］．热力透平，２０１１，４０（１）：５－ ｌＯ． ［３］宁哲，赵毅，王生鹏．采用先进汽封技术提高汽轮机效率［Ｊ］． 热力透平，２００９，３８（１）：１５－１７． ［４］中国动力工程学会．火力发电设备技术手册［Ｍ］．北京：机械 工业出版社，１９９８．