新型中低压合缸过渡段隔板的设计*

□田伟华 □李文福 □王 鹏 □景 伟 □李胤祺上海汽轮机厂有限公司 上海 200240

新型中低压合缸过渡段隔板的设计*

□田伟华 □李文福 □王 鹏 □景 伟 □李胤祺
上海汽轮机厂有限公司 上海 200240

单流中低压合缸汽轮机组中，中压部分与低压部分的根径通常落差大于200 mm。为确保流道光滑，需根据中低压合缸结构的特点，开发新型的过渡段隔板。详细介绍了新型隔板的结构设计、气动优化等相关内容。结果表明，新设计的隔板是适合单流中低压合缸过渡段工况的较好方案，对同类型机组设计有一定的指导意义。

目前150 MW等级汽轮机产品市场竞争激烈，为适应市场需求，上海电气新开发了150 MW模块，该模块的开发是为了在海外市场与西门子、阿尔斯通等企业展开竞争，提高上海电气机组在国际市场的竞争力。该模块为全新开发的机组，在结构上采用高压缸和单流中低压合缸的布置方式，与原同等级系列机组的高中压合缸和双流低压缸在结构上具有较大区别。采用单流低压缸减少了中压缸排汽损失以及中低压联通管损失，大大降低了机组热耗，新开发机组热耗水平与西门子、阿尔斯通这些国际竞争对手相当，使产品在市场上更具有竞争力。采用单流低压缸结构后，由于中低压通流部分的根径不同，在中低压之间通常会有一个明显的台阶，如图1所示。常规的隔板结构难于满足设计要求，为确保汽道通畅，需根据中低压合缸结构的特点，开发新型结构的过渡段隔板。

1 过渡段隔板结构设计

中低压缸采用合缸单流方案后，中压段出口根径为1 406 mm、低压段进口根径为1 825.18 mm，落差达到209.59 mm。新设计的隔板应具备导流降低流道损失的功能，且隔板应结构轻巧、加工装配简单。为此，全新开发的过渡段隔板采用了斜置汽叶，内环采用圆弧轮廓，以保证汽流光顺，起到引流作用。为方便加工，内、外环由不同的钢板拼焊而成，拼焊好的内、外环再与铸造的斜置汽叶焊接成整圈隔板，隔板结构示意如图2所示。

图1 中低压缸通流示意图

图2 隔板结构示意图

中分面通过螺栓、垫块与内缸配合，具体位置见图2，详图如图3所示。隔板底部设置找中，防转键槽与汽缸配合，具体位置见图2，详见图4所示。

2 过渡段隔板气动及强度设计

除了合理的结构设计外，优化流道、确定斜置静叶型线是此类型隔板设计的重要关注点。为更好地起到导流作用，隔板斜置汽叶采用新开发的大弦长、前掠式叶型，与台阶凸跳相呼应，内环汽道采用圆弧结构，以进一步让汽流膨胀顺畅。汽叶及通道优化通过CFD分析手段完成，计算模型如图5所示，斜置汽叶设计时，需满足通流能力的要求。图中蓝色和红色部分分别表示静叶和动叶，通过CFD手段优化内、外环通道轮廓，确定合适的汽叶个数，斜置汽叶个数为48个。

图3 隔板中分面与内缸配合示意图

图4 隔板底部与汽缸配合示意图

图5 模型示意图

图6为子午面流线图，由图可知，流场均匀，无明显流动分离，子午面流道内汽流径向分布较均匀。

图7所示为斜置汽叶级0.5相对叶高的相对马赫数云图及截面速度矢量图，由图可知，汽流顺畅，没有流动分离。新设计的汽叶前缘比较大，对冲角的适应性比较强，有利于抑制流动分离。

图6 子午面流线图

通过对子午通道和汽叶的不断优化，斜置级总-总效率（实际焓降比理想焓降）达到91.81%，其中斜置汽叶的总-总效率为93.16%。新设计的斜置汽叶叶片个数较少，使汽道更顺畅，有利于级效率的提高。

新设计的斜置汽叶隔板，除具有较好的气动特性外，其隔板刚性较好。通过有限元分析软件Abaqus，计算了其一次载荷（汽流力）与二次载荷（温度），引起的内环轴向变形（挠度）仅为0.27 mm（如图8所示）。由于选取合适的螺栓尺寸，所以中分面密封情况良好。

3 结论

新型中低压过渡段采用新开发的带斜置汽叶的新型结构隔板，汽动性能好，隔板总-总效率可达到93.16%，能够很好地解决中、低通流根径不同带来的台阶凸跳过渡问题。新设计的隔板结构较轻巧、加工安装方便，通过合理的设计，隔板刚性好，挠度值小，为顺流中低压合缸过渡段提供了较好解决手段。

图7 斜置汽叶0.5相对叶高的相对马赫数及速度矢量图

图8 一次载荷与二次载荷引起的轴向变形Abaqus计算结果（最大0.27 mm）

［1］吴厚钰.透平零件结构和强度计算［M］.北京：机械工业出版社，1982.

［2］丁有宇.汽轮机强度计算手册［M］.北京：中国电力出版社，2010.

In single-flow steam turbine set with combined IP-LP casing，difference of the root diameters between IP section and LP section is usually larger than 200 mm.In order to ensure smooth flow，new partition for transition section should be developed based on the structural features of the combined IP-LP casing. Diacusced a detailed introduction on the design of bulkhead structure and aerodynamic optimization.The results showthat the newdesign of the bulkhead is a sound solution to solve the transition section of single-flowIP=LP casing and it could provide a certain significance toguide the design of homogeneous units.

汽轮机；中低压合缸；隔板；斜置汽叶

Steam Turbine；Combined IP-LP Casing；Bulkhead；Inclined Turbine Blade

TK243

A

1672-0555（2015）04-040-04

*上海市科学技术委员会资助项目（编号：13B1402400）

2015年8月

田伟华（1979-），男，动力工程硕士，主要从事汽轮机结构的设计开发工作