双转子互换高背压改造叶片安全评估

李泽培，谢苏燕，刘全

(东方汽轮机有限公司，四川德阳，618000)

双转子互换高背压改造叶片安全评估

李泽培，谢苏燕，刘全

(东方汽轮机有限公司，四川德阳，618000)

汽轮机在供热期和非供热期采用双低压转子互换，是实现高背压供热改造的一个行之有效的手段。采用双转子互换的高背压改造方案，除了系统结构方面的考虑外，仍需要对采暖期的低压去级转子的末叶进行安全性评估，以保证其能满足末级叶片高背压运行的要求。文章着重分析了高背压末叶安全性的考虑因素，并对叶片可能的颤振风险进行了论证。

高背压改造，双转子互换，末叶，颤振

0 引言

高背压供热机组是近年为适应北方采暖供热而出现的改造型机组，是电厂满足对外供热需求和提高机组效率的有力措施。300 MW等级的湿冷汽轮机一般通过在供热期和非供热期采用双低压转子互换方案，来实现高背压供热改造。采暖期时，低压缸排汽压力升高，排汽温度提高，加热进入汽轮机凝汽器的热网循环水，使其供热、冷源损失降为零，提高机组的循环热效率。采暖季高背压运行的低压转子，在原有转子基础上进行改造，拆除部分级次动静叶，增加导流环结构来代替，轴系转子结构不变。这样的改造方案可以有效降低电厂更换转子的周期和难度，带来最大的经济收益。

机组采用双转子互换技术进行高背压改造，为实现采暖供热期高背压和非采暖供热期常规纯凝低背压运行功能，在汽轮机的改造设计过程中，除了需综合考虑汽轮机通流、本体、轴系、辅助及回热系统、控制系统及其他方面存在的主要问题，还必须论证高背压时末级叶片的安全性问题，包括颤振的风险。

这是因为，高背压转子一般是在原有转子基础上去级运行，原来的中间级次将要承当末级叶片的变背压功能，需要重新按照末叶的设计标准体系来评估高背压转子末叶的强度、振动安全性。相对而言，曾经的中间级次叶片展弦比相较末级而言要大得多，若叶片的刚性不足，颤振的风险必须考虑。本文将探讨双转子互换方案中高背压末叶的安全评估。

1 常规蒸汽弯应力评估

高背压工况时，低压去级后的各级叶片，尤其是末级叶片，相对于原来的纯凝工况，焓降分配会发生变化，蒸汽弯应力水平也会改变。特别地，若高背压工况下，末级叶片背压较纯凝时级后压力变低，会导致级功率显著增大，此时必须考核蒸汽弯应力水平，必须满足末叶的考核准则。

随着背压的降低，末级叶片承担了绝大多数的负荷，当达到极限阻塞工况时，动叶的切向力和载荷最大，为叶片的强度校核工况。

2 小容积工况颤振评估

当机组在小容积流量下工作时，低压缸末级气动特性将急剧恶化。末级首先在动叶根部和静叶顶部处的气流发生脱流，形成2个旋涡区，末级通流效率将大大降低，低压缸效率也会受到较大影响，由于涡流引起的鼓风损失及其他附加损失，使汽流被加热，温度升高，影响排汽缸轴承标高，危及轴系振动安全性。当容积流量进一步减小，末级一部分汽流做的功率等于消耗的功率时，末级不再输出功率，此工况称为零功率工况，此时对应的轴向出口马赫数大约为0.20～0.27。容积流量再减小超过此工况时，末级完全在鼓风工况下运行，温度急剧上升，这是必须避免的。

末级叶片的级焓降大，动叶出口速度高，变工况情况复杂。在高背压、小流量工况下叶顶出现大的负攻角，在叶片内弧产生脱流区，引起作用于叶片上的气动力改变等。叶片周围非稳定流场的气动力与叶片振动之间相互耦合，就会产生流体与叶片之间的能量传递。在小容积流量工况下，动叶进口大负攻角引起大尺度分离流诱导的一种“自激振动”，就是失速颤振。沿叶高将各截面传递的能量进行积分，如果是流场的能量不断输入到叶片系统中，则叶片的振幅就会不断增大，发生颤振。颤振就是系统负阻尼引发的系统不稳定性发散振动。

作为工程应用，对于颤振经验的方法可以计算叶片特征截面的改进斯特劳哈尔数。以自由叶片形式工作的叶片，当经验参数SE小于许用值时，结构具有足够的刚性，不会发生颤振。GE等世界知名公司经过分析和试验研究均认为采用整体围带和拉筋使叶片成圈，这种结构是防止颤振最有效的措施。由于叶片颤振时，往往是叶尖附近的一段从气流中吸取能量，而沿叶高的另一部分是将能量传给气流，选择叶尖附近某一位置表示平均效应，一般取0.85相对叶高处的截面作为特征截面。

式中：

w—相对气流速度；

ω—最低振动模态的角速度；

c—特征截面弦长；

b—叶片节距；

ρs—蒸汽密度；

ρm—叶片材料密度。

3 小容积流量工况动应力水平评估

理论上通过对低压模块建模，根据实际的边界条件进行流固耦合分析，可以相对精确地模拟叶片的动应力水平，通过数值模拟结果，评估末级动叶片的安全性。事实上，随着计算机硬件水平的提高，很多商用软件已经提供流固耦合计算动应力的功能模块。然而，容积流量减小，流线开始扭曲，汽流在导叶挤向根部，在动叶则偏向外缘。随着流量的进一步减小，这种趋势也更为加剧。当容积流量减小到某一数值，动叶根部出现脱流。动叶根部出现脱流以后，容积流量再进一步降低时，在叶间间隙（喷嘴出口边到动叶进口边之间的轴向间隙）的外缘部分就产生涡流。主流沿叶片的外缘部分向出口流动，在叶根凝汽器侧空间的冷湿蒸汽从排汽管向通流部分运动。小容积流量工况流动的非定常特性更为明显，对于小容积工况的流场还没有比较理想的计算方法，在此基础上进行动应力分析就更具挑战了，目前工程应用中实用性不强。

综合各种文献资料的试验研究结果，在高背压小容积流量下，末级动叶片动应力放大约3～18倍。高限值应对应阻尼小、刚度小、有可能发生颤振的自由叶片，低限值应对应阻尼大、刚度大、不可能发生颤振的成圈叶片。图1所示是成圈叶片中末级叶片动应力随背压变化试验曲线。由于小容积流量工况时的流动是高度非定常，汽流激振不稳定，直接数值评估难度太大，误差也无法评估。可以利用在设计工况时的定常数值分析结果，考虑一定的放大系数，通过这种半经验的方式，计算小容积工况下的动应力水平，来作为末级动叶片的安全性评判依据。

图1 末级叶片动应力随背压变化试验曲线

4 实例分析

以上面的设计思路对某300 MW等级湿冷机组低压转子进行高背压改造设计。该机组高背压工况设计背压54 kPa，纯凝工况为6级，其中次次末级级后压力49 kPa。工况论证后选取去两级运行的通流方案，即原次次末级321叶片成为高背压时的末叶。①按照阻塞工况校核高背压时的蒸汽弯应力水平，满足设计准则。②采用自带冠成圈结构，保证末叶具有较好的结构刚性，同时提高整体的气动阻尼效果，提高结构颤振的阈值。③对顶部截面校核SE数，321叶片的该指标远低于设计准则。④按照定常工况计算末级321叶片0～11节径的动响应，根据工程经验，评估计算小容积流量工况下叶片的动应力水平。

8节径1阶动频避开率为3.95%，较其他节径的避开率小。响应在共振点时达到最大，由于系统的阻尼作用，偏离共振点时，响应迅速衰减。故而避开率越大，响应会越小。另外，当节径增加，维持响应耗能更大，动响应水平也会随之降低；反之，低节径的响应更危险。所以，分别计算了7、8节径一阶的动响应，用于衡量该321.3叶片的整体动响应水平。

在8节径动响应分析中，正常周波时动应力值为1.77 MPa，如图2所示。

图28 节径1阶动应力（正常工况）

对比计算7节径1阶的动应力水平，正常周波时动应力为0.56 MPa，如图3所示。

图37 节径1阶动应力（正常工况）

由计算可知，综合考虑避开率和节径影响，动应力水平很低，都是小于2 MPa。基于小容积流量下动应力测试结果表明（见图1），在小容积流量下，一般是10%～20%范围内，动应力迅速放大，成圈叶片放大比例一般为3～5倍。保守考虑放大系数5倍，则小容积流量下，运行工况下动应力最大为10 MPa，根据动应力评判规范，即使动应力在小容积流量下放大，也是满足设计规范的。

321.3 末级叶片阻尼特性强，小容积工况下强度、刚度满足设计要求，不会发生颤振。

5 结论

本文对双转子互换高背压改造中供热期的低压转子通流设计进行了探讨，并对某300 MW等级湿冷高背压321叶片的安全性进行例证分析。基于分析结果表明，该叶片满足高背压运行要求，不会发生颤振。本文论述的末叶开发分析过程，对于高背压改造中采用双转子互换方案的末叶安全性评估具有工程参考价值。

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图6 叶根轮槽变形（相对转速0.8）

5 结论

通过本文对枞树型叶根间隙流量系数试验结果的分析，可得出以下结论：

（1）旋转过程中由于枞树型叶根和轮槽均发生不同程度的变形，枞树型叶根间隙流量系数随转速的升高有所增大，但增大的量不是很大；

（2）一定压比范围内枞树型叶根间隙的流量系数随压比的升高变大，压比达到一定量值后趋于稳定；

（3）枞树型叶根间隙流量系数和平衡孔相比较小，叶根间隙设计时应给予考虑；

（4）试验得到不同工况下枞树型叶根间隙的流量系数，可以为计算模型的修正提供试验数据的支撑，为热力计算和工程应用提供准确的取值方法。

参考文献

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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

李泽培（1983-），男，工程师，毕业于华中科技大学热动专业，主要从事汽轮机叶片设计工作。