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汽轮机设计新技术

作者：佚名文章来源：不详点击数：更新时间：2008-9-26 19:50:58

目前，联合循环机组已在国内外的发电市场中占有了一席之地，其强大的竞争力来自于极高的机组效率（最新设计效率可达58％）。与此同时，旨在提高火电厂效率的汽轮机新型设计也层出不穷，随着科学技术的发展，最新的燃煤蒸汽电厂可以采用更高的蒸汽参数，先进的给水加热循环及在锅炉、汽机主要零部件上新材料的应用，要取得45％或更高的效率已成为可能。以下介绍几项国外汽轮机设计方面的新技术、新特点。

      1 与联合循环兼容

          在不断追求低成本高效率的形势下，让汽轮机符合联合循环设计已成为近年的一个重要的目标。现在比较流行的是100～250 MW的汽轮机，这不仅是为了满足联合循环要求，也因为如今在美国小型机组似乎更受欢迎。

      1．1 ATS系列汽轮机

          美国西屋公司在其最新燃气轮机技术基础上，为它的先进汽轮机系统（ATS）开发了一组80～250MW汽轮机。该型汽轮机为一次再热冷凝机组，采用双缸、多级、单流，轴向排汽，最后一级叶片采用1066．8mm（42＂）钛（Ti）叶片。汽轮机和燃气轮机一样与发电机同轴布置，汽轮机的转矩通过自动同步联轴器传给发电机。轴向排汽使汽轮机可以安装在平板式基础上，单轴设计使整个汽轮机组比较经济。

          其它特点有：

      （1）高压转子设计为无中心孔铬钼钒整锻产品，保证临界转速远离额定值；12％高效铬钢的复式压力级叶片用T型叶根跨装在转子上，满足高温条件下的高强度要求；

      （2）中／低压转子均无中心孔，其中低压转子由一段铬钼钒钢低压截面与一段3．5％Ni合金钢低压截面焊接而成，以使转子在中压进口区具有较好的蠕变强度，而低压缸尾部又有较好的屈服强度。

      （3）设计有允许高压蒸汽直接排入凝汽器的排汽系统，以减少起动、停机过程中高压缸的鼓风加热。

      （4）低压缸轴承采用斜垫设计以改进转子稳定性并减少机械损失。
      1．2 SCSF汽轮机

      东芝国际公司（美国办事处）开发了一种单缸、单流（SCSF）汽轮机，其转子材料具有较高的蠕变断裂强度和应力刚度（性），且对高压和低压段进行不同的热处理。SCSF汽轮发电机末级叶片在50Hz时可达1066．8 mm（42＂），60 Hz设计则为1016 mm（40＂）。

          东芝推荐的优点包括：
      　　（1）汽机成本低。与传统的双缸设计相比，生产SCSF转子、汽缸、叶片、轴承、喷嘴（没有交叉管线）的成本明显要低。1台额定功率150MW的汽轮机重量可减轻一半。

      　　（2）降低电厂建设成本。汽轮机总长比传统的双流设计短457mm（18＂），这样就减少了占地面积和汽机房尺寸。轴流设计则对汽轮机基础要求不高，适用于3级地震区。

      　　（3）根据东芝公司的报告，事实证明安装人工也比较低，转子直接从工厂运来就位，如1台150 MW机组的建设时间可缩短两个月。

      　　（4）更高效。低压叶片长度更长，二次流动损失减小。由于减少了汽封，密封部位的蒸汽泄漏降低。同时因为没有交叉管就消除了压降。

      　　（5）维修费用低。其计划维修停机次数减少了15％～20％。
      2 新型的通流部分
      改进通流部分的气动特性是提高机组效率的有效手段。事实上所有的汽轮机制造厂家都一直忙于改进现有汽机的通流部分，代表之一就是德国西门子动力发电股份有限公司，该公司采用最新设计对叶片和其它通流组件进行了更换，从而提高了5％的效率。又应用先进的围带（壳体）和密封设计提高了机组的可靠性。

      西门子公司在参与的改造工程有：Allengheny动力网签订了一份改造Pleasants电站2台650MW汽轮机的合同，工程包括机组的中、低压缸，分别在1999年和2000年完成。

      西门子公司采用的计算机辅助设计（CAD）通常可在以下方面优化设计过程：精确计算各工况下的转子扰度，减小迷宫式密封的间隙距离；转子、轴承设计上的进步使应用更高速度、更轻型转子成为可能，这样可减小机械尺寸、提高效率，而且能缩短叶片长度，降低二次或叶顶（尖）损失。

       科罗拉多州的公共服务公司签订了一份协议书，对下属的Valmont电厂的1台180MW机组进行更新。低压转子末级叶片长度将由原来的660 mm（26＂）改为736mm（29＂），以提高效率和可靠性。该工程将于1999年4月停机期间实施。

      3 叶片设计

       西门子公司的HeinrichOeynhausen博士认为，先进的汽轮机制造商应采用数字优化新手段分析汽机流道，这样，各部件效率会明显提高，或是减少汽机房占用空间，从而改善专项成本支出。其收益则用于对各叶片叶型作详细的三维分析及优化，以达到最高的汽轮机效率。

      西门子公司开发了新一代反动度沿叶高变化的反动叶片，可提高效率1％，超过仅用三维设计的效果。这种被称为3DV的方法采用最新技术对通过汽机各个级的三维粘性流进行计算，并应用数字优化算法分别设计各级的反动度和叶型。Oeynhausen博士称：“即使象在叶片设计中常见的那样，有40～80个自由参数和100～300多个约束条件，优化算法都可以给出一个明确的方案，以获取最高的、可能的效率。”

      　　多数汽机制造商应用基于CAD的三维叶片技术，但仍有制造商对所有级的叶栅采用同样的反动度。西门子公司根据各个级的计算值，对内外壁面积、叶片高度、级反动度、各级负荷分配等参数进行调整，在10％～60％范围内分别确定各级的反动度。
      　　Oeynhausen博士预测，如果汽轮机各部分都按此设计，并考虑锅炉再热部分的影响，沿叶高变化的反动叶栅可提高1台660 MW机组出力2．8MW，热耗降低0．4％。
      4　计算流体力学（CFD）对设计的帮助

      现在先进的CFD方法能对二维、三维的静止和旋转参照系中的复杂流道进行分析，包括压缩系数、粘性和扰动等的影响。CFD新技术可应用于低压缸排汽罩、高压缸喷嘴腔和三维（弓形）叶栅。主要优点有：
      　　（1）通过显示流道内各点的流动特性更加深入地了解流体类型。形象化对产生更高效、可靠的设计所须进行的几何变化有帮助。
      　　（2）可作为降低透平机械高流速、高温所需的昂贵的实验室试验费用的一种方法。CFD设计缩短了实验室试验的硬件建设周期又不影响设计质量。
      5 末级叶片的定位
      低压缸叶片的问题可以归结为：长叶片运行环境恶劣—巨大的离心力和相对其它级较低的叶片刚性。

      尤其是倒数第二级叶片的外形通常比末级叶片细长，从而影响其刚性。叶片往往在接近Wilson线的湿蒸汽区运行，而很多时候造成应力腐蚀裂纹（SCC）的原因就是干湿蒸汽工况的交替出现。

      日本东京日立公司和纽约应力技术股份有限公司（STI）以先进的空气动力学设计思想和叶片特性、强度及振动等分析技术为基础，联合开发了长530mm（20．9＂）的L－1型叶片。经过分析和旋转试验确认了其强度和振动特性及可靠性系数，并证明该技术同样适用于新汽机和老汽机的更新。
       该设计趋向于采用自带围带的叶片依次互相连接成整圈的围带结构。研究结果级效率提高约1．3％，如静叶采用弯扭（compound lean）设计，则可再提高效率1％。

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