CN1045288A - 特性改善的低压尾端叶片 - Google Patents

Abstract

一种通过调整叶片角度方向把通流比设定到最佳值以使末级叶片通流面积与凝汽器压力相匹配，优化汽轮机热力学特性的方法。此方法还通过设定末叶栅上游叶片的角度方向来校正进汽冲撞角。

Description

本发明涉及汽轮机，更具体地涉及在不同排汽压力及不同质量流量时获得最佳特性的方法，而无需不同尺寸的汽轮机末级叶片。

多年来满足电力公司需要的传统方式是制造更大容量的机组，这要求增大排汽环形面积，环形面积约以25%的级差递增。按此方式，所设计的单个双流排汽结构可以取代总排汽环形面积相同的具有两个双流低压汽轮机的老设计。由于技术进步，新设计较老设计性能优越。

最近几年，市场强调更换运行中机组的叶片，以延长寿命并取得改善热力性能的效益（出力和热耗率二者），以及改善可靠性和延缓设备的老化。此外，现在市场要求改进现今设计使之有更高的可靠性，更低的热耗率及更大的灵活性。如果新设计可用于旧有的对应部分的改造并且在多种应用场合都是最佳结构，则在工程和制造资源两方面都能获得显著的经济性。

汽轮机的后面几级由于其长度而产生汽轮机总功率中的大部分，因此对改善热耗率具有最大的潜力。汽轮机末级运行于变化的压比中，故这个级的设计是极端复杂的。只有汽轮机的第一级，假如是部分弧段进汽的话，才会经受可以与之相比的运行工况变化。除末级外，上几级汽轮机低压级也可能经受运行工况的变化，其原因为：（1）所带负荷与额定负荷的差异;（2）电厂设计排汽压力的不同和与设计值的偏差，（3）汽轮机结构不同引起的排汽缸特性差异，（4）因热力循环蒸汽状态改变和循环的改变引起的低压进汽状态改变，（5）抽汽点位置，（6）运行负荷曲线（带基本负荷或调峰），以及（7）分区或多压凝汽器相对于不分区或单一压力凝汽器的使用。

除压力最低的给水加热器以外，全部加热器的抽汽流量都与机组调速汽门进汽流量的变化成线性并成正比例，而最低压力加热器抽汽流量变化率比调速汽门进汽量大，且还随凝汽器压力而变化。这就使下一级的进口角改变而对紧靠抽汽点的前一级的特性影响较小。

由于汽轮机的最后几级是调频、变截面、扭转叶片，带有选择性更高的进口角，因此上述七项因素对级特性有更大的影响。

图1表明尾端负荷对一台典型的汽轮机末级静叶进口角的影响。此图的纵座标是“冲撞（incidence）”角，而横座标是叶片高度，图中绘出了两种不同的尾端负荷数值;一种是6000磅/小时/英尺²（＝29300Kg/hr/m²），另一种是11500磅/小时/英尺²（＝56100Kg/hr/m²）。虚线代表予计值而阴影面积代表实测值的范围。冲撞角是入口处叶片与流体角度之差。请注意，在满负荷时冲撞角在予期设计值上下变化而在部分负荷时冲撞角则偏离予期角度。上一级静叶片冲撞角也发现有类似变化但程度较小。

汽轮机在抽汽布置和标准叶片通流比方面有许多变化。L-2静叶片通流比之间的很多差别涉及到非再热与再热的使用。而且三排汽结构的单流部套抽汽布置是不同的，但叶片与双流部套相同。在三排汽系统中，两种流道（单流或双流）只有一种从冲撞角来说是匹配的。

假设双流低压汽轮机在给定的排汽压力下带有单压凝汽器以最高效率运行，而且假设将凝汽器更换为双区多压而表面积相同的凝汽器，则双流部套一端的压力将升高而另一端的压力将降低。这样虽然由于采用分区凝汽器而使凝汽器平均压力较低导致热耗率有所改善，但两端都不在最高效率运行。具有较低排汽压力的一端需有较大的流通面积而较高排汽压力的一端需有较小的流通面积。先有的研究已表明，采用最佳的分区凝汽器其总排汽面积等于或稍小于不分区凝汽器的总通流面积。这样一种系统的通常优化方法是为分区双流低压部套的每一半选用不同尺寸的末级叶片。其结果是为取得最佳性能而使叶片尺寸分散度增大。

本发明的主要目的是提供一种不改变低压汽轮机段末级叶片尺寸来改善汽轮机效率的方法。

考虑到这样的目的，本发明属于用末级叶片流通面积匹配凝汽器压力而不改变叶片尺寸和形状，从而优化汽轮机的热力特性的方法，其特征是调整叶片角度方向以将通流比整定到凝汽器压力下的最佳值。

叶栅通流（喉部）面积和叶片环形面积一样，决定着叶片的性能。通流面积与环形面积之比称为通流比，它是叶片出口面积的尺度。通流比g是叶片出口角的正弦，也是叶片在渐缩（非扩散）流道处喉口与叶片节距之比。

照此，同样的通流面积可通过使用有较大通流比的给定叶片，或通过使用通流比较小而尺寸稍大的叶片来得到。事实上可以用改变叶列出口角来实现叶栅面积的重大改变。例如出口角30°的叶片通流比为0.500，旋转±2°时通流比变化范围是0.467到0.530，变化14%。

下一档较大叶片尺寸的环形面积将增大25%，但其通流比变化可使最小通流比方向的叶片通流（喉部）面积稍小于较小叶片处于最大通流比方向时。这样，仅仅使用几种叶片，通过选择利用叶片方向的末级叶片的最佳通流比便可得到大范围的最佳通流面积。

在选择最佳末级通流比时，排汽缸较佳的机组的最佳通流比高于排汽缸较差的机组。运用本发明的技术，同样的末级叶片，整定不同的通流比即能适用于不同的排汽缸而不是选择一个通流比有利于一端的排汽缸型线而以另一端为代价，或是设计某种折衷的叶片。

这样，本发明包含了一种用调整叶片角度方向整定通流比到最佳值来使末级叶片通流面积与凝汽器压力匹配，从而使汽轮机热力特性优化的方法。而且，本发明包含用整定末级叶栅的上一级叶片角度方向来校正冲撞角的方法。

从一个仅用举例的方法在附图中示出的较佳实施例的如下介绍，本发明将变得更为易于明了，其中：

图1是两种不同汽轮机尾端负荷条件下冲撞角与叶片高度关系曲线图，同时比较了计算值与实测值;

图2是一台双流低压汽轮机级及分区或多压凝流器的部分断面图;

图3是汽轮机相邻叶片的辐向断面图，示出了用来确定通流比的喉口及节距尺寸;以及

图4是说明两种不同的排汽缸结构的排汽缸损失与排汽容积流量的关系曲线图。

参照图2，表示了一台双流汽轮机8的低压段的部分断面图。汽流用S表示。通过多个转动叶片10及静止排汽口12后，蒸汽S经排汽缸14流出。排汽缸14将排汽引至凝汽器16，它使蒸汽冷却转变为水，然后回到锅炉去（未示出）以便再变为蒸汽。

凝汽器16可以是分区的或是不分区的。分区的凝汽器分隔为16A段及16B段，一段中的蒸汽与另一段的蒸汽是隔开的。分区凝汽器用于采用多排汽端的汽轮机。在这种汽轮机中，一端给定低压流道的排汽导向凝汽器的一个区域以便能得到冷却，而从另一低压流道排出的蒸汽则导向该凝汽器的另一区域。设计这种汽轮机是为了增加汽轮机后面几级的功率。带有分区凝汽器的汽轮机的更详细说明可参考归于西屋电气公司的美国专利号4，557，113。

一般分区凝汽器较不分区的凝流器有较低的凝汽器平均压力。常规的单一末列叶片通流比的汽轮机与分区凝汽器连接时，对分区凝汽器的两段都不是最佳的。按照常规的做法，为了适用分区段凝汽器需要两种完全不同的末列叶片;而采用不分区凝汽器时，还需要另一种新叶片。用本发明的技术，使用同一种末列叶片但用不同的通流比即可满足不同排汽压力的要求。较高的排汽压力会有较小的通流比。改变给定叶片通流比所需的方向变化对调频叶片的频率影响是微乎其微的。

图3是一对相邻的汽轮机叶片20和22的端视断面图，即辐向断面图。垂直距离O代表喉部或通流口，而尺寸P代表节距。对于均匀分布的叶片，节距是圆周除以叶片数。通流比的定义是净通流面积与环形面积之比，它可以表示为喉口/节距（O/P），此处O是叶片喉部汽流的法向宽度。可以证明，叶片出口流体角可用arcsin    O/P表示，所以流体角与通流比有着明确的相关。

尾端负荷的变化影响最佳通流比的选择。因此对于许多使用场合改变叶片方向可以优化汽轮机热耗率。然而，图1则说明尾端负荷的变化改变了静叶进汽角，产生了冲撞角及随之而来的效率降低。表Ⅰ说明L-2C叶栅通流比变化的影响。最小的通流比应用于非再热（比容较小）而较大的通流比应用于再热机组。

改变所示静叶的通流比是为了减小相配动叶的冲撞角（与设计角的偏差），除非静叶是新的设计。改变末级动叶前的动叶和静叶的方向来改变通流比可以得到较大程度的性能改善而无须改变叶片型线。应注意到设计静叶比设计相配的动叶简单的多，而且静叶的成本也比动叶的成本低不少。

图4所示为不同排汽缸设计可能引起的损失的例子。这里两台基本相同的汽轮机各配一台基本相同的凝汽器，而两个排汽缸却采用不同的设计。标志A的曲线表明比曲线B从叶片到凝汽器的压力损失更大。因此，不同的排汽缸在同样的质量流量及同样的凝汽器压力时，导致不同的排汽压力。如所周知，叶片压力决定从一台给定的汽轮机所能输出的功的数量。本发明提供了一种方法，通过把叶片通流比调整到排汽压力下的最佳值，来补偿排汽缸设计上的差别。

排汽布置，特别是对于最低压力抽汽位置（此处抽汽质量流量随凝汽器压力而变化）的改变也造成进汽冲撞角，因此，通流比可以用于校正邻近抽汽位置的叶片栅的冲撞角，虽然仅仅改变静叶方向也许已经够用。

进一步说，在三排汽机组的单流部套中，到尾端叶片的进口汽流角与到双流部套尾端叶片的进口汽流角是不相同的。三排汽机组的单流部套可与其他机组的双流部套有不同的抽汽布置。为取得通流比的变化，同样的叶片可以在根部平台上取不同方向，或在转子尖塔型根槽上取不同方向或将二者综合运用。

本发明通过扩大所用给定型线叶片的最佳性能范围来取得较高的低压汽轮机效率。按常规经验要得到同样的效果需要再设计许多不同的叶片。这一概念可应用于末级动叶栅，静叶和动叶两者，以及前二级，虽然其效果在程度上稍差。

本发明的原理现已在实施例说明中弄清楚，则对于熟悉技术的人员来说，显然可以在实施本发明时将上面说明中提出的结构、布置和零件作许多修改以产生另一种实施例，适应具体的运行需要，而不越出本发明的范围和原理，如随后的权利要求中所述。

表Ⅰ

出口角    通流比g    出口角    通流比g

度    %    度    %

22    37.5    31    51.5

23    39.1    32    53.0

24    40.7    33    54.5

25    42.3    34    55.9

26    43.8    35    57.4

27    45.4    36    58.8

28    46.9    37    60.6

29    48.5    38    61.6

30    50.0

Claims (4)

1、通过使末级叶片通流面积与凝汽器压力相匹配来优化汽轮机的热力学性能而不改变叶片的尺寸和形状的方法，其特征是：调整叶片角度方向来将通流比设定到对应于凝汽器压力的最佳值。

2、按权利要求1的方法，其特征是：对末级前的叶片整定方向以将进汽冲撞角减至最小。

3、按权利要求2的方法，其特征是：调整动叶和静叶二者的角度方向。

4、按权利要求2的方法，其特征是：调整相邻于抽汽点的叶片角度方向。

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