田朝陽(yáng)

(東方汽輪機(jī)有限公司，四川德陽(yáng)，618000)

樅樹型葉根間隙流量系數(shù)試驗(yàn)研究

田朝陽(yáng)

(東方汽輪機(jī)有限公司，四川德陽(yáng)，618000)

隨著大型汽輪機(jī)機(jī)組的不斷推廣，樅樹型葉根形式得到越來(lái)越多的應(yīng)用。樅樹型葉根流量系數(shù)的選取是否正確影響到汽輪機(jī)級(jí)間的隔板汽封、根部徑向汽封和樅樹型葉根三者的流量平衡，從而影響到樅樹型葉根間隙的設(shè)計(jì)，影響到機(jī)組推力和效率的準(zhǔn)確性。為了準(zhǔn)確掌握樅樹型葉根流量系數(shù)的取值方法，文章在公司汽封試驗(yàn)臺(tái)上采用試驗(yàn)的方法得到了樅樹型葉根流量系數(shù)隨轉(zhuǎn)速、壓比的變化曲線，為熱力計(jì)算和工程應(yīng)用提供了準(zhǔn)確的參考。

樅樹型葉根，流量系數(shù)，轉(zhuǎn)速，壓比，變化曲線

1 前言

隨著低碳經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)汽輪機(jī)經(jīng)濟(jì)性的要求越來(lái)越高，而火電行業(yè)在“上大壓小”政策的導(dǎo)向下也積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化升級(jí)，大容量、高參數(shù)的汽輪機(jī)機(jī)組得到廣泛推廣[1]。隨著大容量汽輪機(jī)機(jī)組的發(fā)展，葉片載荷不斷增加，而樅樹型葉根具有承載能力大、強(qiáng)度適應(yīng)性好、拆裝方便等優(yōu)點(diǎn)[2]，在汽輪機(jī)中的應(yīng)用越來(lái)越多，近年來(lái)，汽輪機(jī)高、中壓級(jí)動(dòng)葉葉根也越來(lái)越多地選用樅樹型葉根形式。

在沖動(dòng)式汽輪機(jī)組中，樅樹型葉根間隙可以改善級(jí)間氣流流動(dòng)，同時(shí)還可以起到平衡輪盤推力的作用，因此，樅樹型葉根流量系數(shù)的選取是否正確影響到汽輪機(jī)級(jí)間的隔板汽封、動(dòng)葉根部徑向汽封、樅樹型葉根三者的流量平衡，從而影響到樅樹型葉根間隙的設(shè)計(jì)，影響到機(jī)組推力和效率計(jì)算的準(zhǔn)確性。目前，國(guó)內(nèi)尚未發(fā)現(xiàn)有關(guān)樅樹型葉根間隙流量系數(shù)研究的相關(guān)信息，因此，在熱力計(jì)算時(shí)，樅樹型葉根間隙流量系數(shù)的取值不明確，而流量系數(shù)取值的不同會(huì)造成機(jī)組推力、效率的計(jì)算結(jié)果差異很大，所以，在設(shè)計(jì)汽輪機(jī)時(shí)尤其是自主設(shè)計(jì)大型汽輪機(jī)機(jī)組時(shí)較為困難。

為了準(zhǔn)確掌握樅樹型葉根流量系數(shù)的取值方法，在公司產(chǎn)品試驗(yàn)室的汽封試驗(yàn)臺(tái)上采用試驗(yàn)的方法得到了樅樹型葉根流量系數(shù)隨轉(zhuǎn)速、壓比的變化曲線，為熱力計(jì)算和工程應(yīng)用提供了準(zhǔn)確的參考數(shù)據(jù)。

2 樅樹型葉根漏氣模型

樅樹型葉根與輪槽配合如圖1所示，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，樅樹型葉根受到離心力的作用使得葉根工作面貼合，其他非工作面與輪槽存在間隙，在葉輪兩側(cè)壓差的作用下就會(huì)產(chǎn)生氣體泄漏。

圖1 樅樹型葉根與輪槽配合圖

樅樹型葉根及輪槽間隙氣體流動(dòng)的模型比較復(fù)雜，其中型線部分氣體的流動(dòng)類似于偏心環(huán)形縫隙流動(dòng)，而型線根、頂部及相鄰葉根中間體之間的流動(dòng)又與平板間隙流動(dòng)類似，通過(guò)的流量與縫隙值的三次方成正比，間隙值的大小對(duì)泄漏量的影響很大[3]，因此，在數(shù)值計(jì)算時(shí)實(shí)際流動(dòng)模型的建立較為困難，需要通過(guò)試驗(yàn)的方法不斷修正計(jì)算模型，提高計(jì)算的準(zhǔn)確性。

3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在公司汽封試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，汽封試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)圖如圖2所示。采用壓縮空氣作為工質(zhì)進(jìn)行試驗(yàn)，風(fēng)源由2臺(tái)2 500 kW和2臺(tái)630 kW的鼓風(fēng)機(jī)提供，壓縮空氣出口溫度最高120℃，流量最大可達(dá)1 800 m3/min，壓力最大273 kPa?？諝饨?jīng)鼓風(fēng)機(jī)出口進(jìn)入儲(chǔ)氣罐，再經(jīng)流量計(jì)進(jìn)入試驗(yàn)臺(tái)本體，最后從試驗(yàn)臺(tái)本體中的汽封裝置和葉根間隙排入大氣。汽封裝置和葉根間隙是氣體經(jīng)放空閥后的唯一出口，因此，流量計(jì)所測(cè)氣體流量即為汽封間隙和葉根間隙在某工況下的漏氣量，再通過(guò)溫壓補(bǔ)償即可計(jì)算出質(zhì)量流量。試驗(yàn)轉(zhuǎn)子在變頻電機(jī)的拖動(dòng)下可在0～6 000 r/min范圍內(nèi)運(yùn)行，儲(chǔ)氣罐后設(shè)有放空閥用來(lái)調(diào)整進(jìn)氣壓力，改變?cè)囼?yàn)壓比，完成不同轉(zhuǎn)速、不同壓比下的性能試驗(yàn)。

圖2 汽封試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)圖

由于葉輪為旋轉(zhuǎn)部件，葉輪與靜子存在動(dòng)靜間隙，無(wú)法直接測(cè)量得到葉輪上葉根間隙的漏氣量，所以需要將試驗(yàn)分為兩步完成，如圖3所示。首先用密封膠將葉根間隙密封，試驗(yàn)測(cè)得的流量為隔板汽封流量G1，也為動(dòng)葉根部徑向汽封的流量G3，即G1=G3，根據(jù)各處的靜壓測(cè)量值可推算出在不同工況下隔板汽封和動(dòng)葉根部徑向汽封的流量系數(shù)；然后去掉密封膠，汽封間隙保持不變，在相同進(jìn)出口壓比下，試驗(yàn)測(cè)得的流量為隔板汽封流量G1（與第一階段值不一樣），由于級(jí)間腔室壓力可能與第一階段值不一樣，動(dòng)葉根部徑向汽封的流量G3通過(guò)第一階段得到的流量系數(shù)插值求得，而通過(guò)葉根間隙的流量即為G2=G1-G3，根據(jù)各處的靜壓測(cè)量值可推算出在不同工況下葉根間隙的流量系數(shù)。

圖3 流量系數(shù)試驗(yàn)原理圖

流量系數(shù)計(jì)算公式見(jiàn)式（1）。

式中：G為實(shí)際所測(cè)漏氣量；F為漏氣面積；z為高低齒的總齒數(shù)，徑向汽封、樅樹型葉根間隙取z為1；P2為間隙后汽流的靜壓；P0為間隙前汽流的總壓；T0為間隙前汽流的總溫；ρ0為間隙前汽流的密度；R為氣體常數(shù)。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)時(shí)選取某1 000 MW高壓級(jí)動(dòng)葉葉根型線作為模型進(jìn)行全尺寸試驗(yàn)，試驗(yàn)參數(shù)如表1所示。根據(jù)上述試驗(yàn)方法分別進(jìn)行了變轉(zhuǎn)速和變壓比試驗(yàn)，試驗(yàn)得到的樅樹型葉根流量系數(shù)隨轉(zhuǎn)速、壓比的變化曲線如圖4和圖5所示。

表1 葉根試驗(yàn)參數(shù)

圖4 樅樹型葉根間隙流量系數(shù)隨轉(zhuǎn)速的變化曲線

圖5 樅樹型葉根間隙流量系數(shù)隨壓比的變化曲線

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，樅樹型葉根間隙流量系數(shù)隨轉(zhuǎn)速的升高略微變大，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)引起的切向力似乎對(duì)氣流泄漏沒(méi)有起到相應(yīng)的抑制作用，然而在數(shù)值計(jì)算時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨著轉(zhuǎn)速的升高，葉根及輪槽均發(fā)生不同程度的變形，如圖6所示，該變形引起樅樹型葉根間隙變大，導(dǎo)致漏氣面積比實(shí)際漏氣面積有所增加，而轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的切向力對(duì)氣流泄漏的影響比較小[4]，所以葉根間隙流量系數(shù)隨轉(zhuǎn)速的升高有所增大，相對(duì)轉(zhuǎn)速?gòu)?到1，流量系數(shù)增加約8.7%。

由圖5可知，隨著壓比的增加，葉根間隙流量系數(shù)變大，相對(duì)壓比為1.01～1.1時(shí)相對(duì)流量系數(shù)從0.86增至0.99，增加約15.1%，相對(duì)壓比達(dá)到1.1后，流量系數(shù)基本不再變化。圖中還列出平衡孔（漏氣面積2 454 mm2）的流量系數(shù)隨壓比的變化曲線，和平衡孔流量系數(shù)相比，樅樹型葉根間隙流量系數(shù)較小，僅為平衡孔流量系數(shù)的60%左右，因此，在葉根間隙設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)給予充分考慮。

Experimental Study on Flow Coefficient of Fir-tree Blade Root

Tian Chaoyang
（Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

With the promotion of large-scale steam turbine,the form of fir-tree blade root is used more and more widely.The selection of flow coefficient influences the flow balance in diaphragm gland,radial steam seal and fir-tree blade root,influences the gap of fir-tree blade root and the accuracy of turbine efficiency and thrust.In order to grasp the method of flow coefficient in firtree blade root accurately,an experiment on steam seal test bench of Dongfang Turbine Co.,Ltd.is made to get the curve of flow coefficient with the speed and pressure ratio.This provides an accurate reference for the thermodynamic calculation and engineering applications.

fir-tree blade root,flow coefficient,speed,pressure ratio,curve

TK262

A

1674-9987（2015）04-0006-03

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2015.04.002

田朝陽(yáng)（1985-），男，工學(xué)學(xué)士，工程師，畢業(yè)于華中科技大學(xué)，現(xiàn)主要從事氣動(dòng)試驗(yàn)研究工作。