喷嘴调节方式下调节级叶片强度的计算分析方法

摘 要：目前，越来越多的大功率汽轮机不得不在采用喷嘴调节方式下进行快速深度变负荷运行，来应对新能源电源大规模接入和峰谷差日益增大的电网现状。然而，不同的喷嘴调节方式对汽轮机调节级叶片强度的影响也是不同的。该文针对600 MW和300 MW两个典型级别机组，分析了喷嘴调节方式对机组调节级叶片强度的影响，并给出了喷嘴调节方式对调节级叶片强度的计算方法。这对保证我国占主流的300 MW级别和600 MW级别机组的安全高效运行具有一定的借鉴意义。

关键词：300 MW 600 MW 喷嘴调节 调节级 叶片强度 变工况计算

中图分类号：TK26 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）10（a）-0215-02

目前，许多大功率机组（包括供热机组）不得不在喷嘴调节方式下进行快速深度变负荷运行，从而缓解电网调峰存在越来越大的压力，包括不断增大的电网峰谷差和越来越大接入比例的风电等新能源电力[1]。目前，对于喷嘴配汽规律的研究大多都集中于顺序阀的安全投运方面，解决配汽规律设计不合理给机组低负荷运行带来的经济性、安全性及调节特性问题[2-6]。然而，实际研究表明，如果喷嘴调节方式设计不合理对机组调节级叶片强度的也会产生影响[7-8]。文献[9]指出首先对汽轮机在不同配汽方式下调节级后温度变化情况进行了分析，然后计算了不同配汽方式下汽轮机调节级后转子的温度场和应力场。最后给出了汽轮机由节流配汽改为喷嘴配汽方式后的变负荷速度确定方法。调节级变工况计算是目前汽轮机热力校核和强度校核的基础，文献[10]提出了一种改进方法，用于快速计算汽轮机调节级变工况的特性曲线，并以某型50 MW汽轮机为例进行了对比计算。相比之前的方法，改进后的方法计算精确度有所提高。由于调节级焓降和反动度的计算是调节级变工况计算的基础和重要内容，文献[11]介绍了汽轮机调节级变工况时焓降和反动度的计算方法，并以N600型汽轮机为例，应用MATLAB语言编制计算软件进行了实例计算，根据计算结果绘制了调节级焓降和反动度的变化曲线。文献[12]通过对调节阀联合升程流量特性的分析，建立相邻两个不完全开启调节阀的流量计算模型，并引入到调节级变工况计算中，提出考虑重叠度的汽轮机调节级变工况改进算法，解决以往重叠区内工况无法计算的问题，保证机组在线仿真的连续性，并对国产200 MW机组进行调节级变工况计算。

由于在我国北方运行着大量300 MW级别和600 MW级别的调峰调频机组，这些机组往往需要进行大范围的深度变负荷运行。因此，该文针对600 MW和300 MW两个典型级别机组，分析了喷嘴调节方式对机组调节级叶片强度的影响，并给出了喷嘴调节方式对调节级叶片强度的计算方法。这对保证我国占主流的300 MW级别和600 MW级别机组的安全高效运行具有一定的借鉴意义。

1 叶片强度校核计算理论分析

1.1 调节级叶片受力情况分析

一般，叶片作用力的主要形式有以下几种：离心力作用、蒸汽作用力、围带、拉筋发生弯曲变形时的作用力。当叶片安装偏移时，离心力的作用点不通过计算截面的形心时，将引起弯曲应力。所以，对于机组叶片应力分析来讲，应该包括以下几方面：（1）汽流作用力：包括弯曲应力和振动-动应力、频率特性（计算自振频率是否会共振）；（2）离心力：拉伸应力、弯曲应力；（3）受热不均匀：不均匀温度场引起的温度应力。

1.2 调节级最危险工况下的校核

一般，叶片所受离心力随转速、叶片质量变化，蒸汽作用力随级的焓降和流量而变化。对于叶片本身来讲，叶根是汽轮机叶片的重要组成部分，它承担着动叶与叶轮的连接任务。在机组运行过程中，叶根与叶片一样要承受离心力和气流力。对于周向安装的叶根还要承受相邻两侧叶根的反作用力。叶根的安全对整个机组的安全运行至关重要。要保证运行安全性，必须在最危险工况下即叶片受力最大的情况下进行校核。汽轮机中各级叶片的最危险工况并不是同时出现。例如：不论是4个调门的机组还是6个调门的机组，调节级的最危险工况是在第一个调节阀接近全开而第二个调节阀尚未开启之时，此时调节级的理想比焓降最大，部分进汽度最小；对于低压级，最危险工况是在最大蒸汽流量和最高真空时。对于同一叶片，其叶顶、叶身、叶根等不同位置的应力情况不同，应对最危险截面进行校核。一般而言，靠近叶根位置的应力较大，对于变截面叶片应该对应力最大的截面进行校核。所以，强度校核必须依赖于调节级变工况计算。

2 应力校核计算的基本依据

2.1 应力计算

2.1.1 离心应力计算

对于等截面叶片来讲，根部截面的离心力Fc最大，如式（1）所示：

Fc （1）

因此，一般采用变截面来降低叶型截面上的离心应力。

2.1.2 弯曲应力计算

一般，调节级叶片弯曲应力依赖于蒸汽作用在每个叶片上的圆周力和轴向作用力。对于等截面叶片来讲，根部截面点上存在最大弯曲应力。对于扭叶片弯曲应力来讲，因蒸汽参数和截面面积沿叶高变化，故必须计算出蒸汽弯曲应力沿叶高的变化规律，然后对最大弯曲应力的截面进行强度校核。因此，调节级变工况计算是调节叶片强度校核计算的基础。

2.2 调节级变工况计算的基本要点

2.2.1 整体计算流程

如图1所示，为调节级变工况计算的整体流程。首先假设调节级后压力，分别计算出调节级后级组流量和调节级流量。在计算调节级流量时，假定喷嘴组前的压力即调节阀后压力P0i，计算阀门流量和通过该喷嘴组流量，迭代直到=。流量和确定后，比较和是否相等，若不等重新假设调节级后压力重算，若相等则对调节级进行热力计算，确定调节级后温度，依据弗留盖尔公式修正温度对流量的影响，这时就可以确定调节的特性，通过进一步的热力计算便可以得到调节级的变工况特性。

2.2.2 流量计算依据

调节级的流量计算是建立在调节级曲线和曲线的基础上的。通过给定每股汽流的级前级后压力可以得到级压力比，从而通过查上述曲线可以得到变工况下调节级的，然后通过公式（2）可以方便的计算出该股汽流的流量。通过调节级的总流量就是各股汽流的和。

（2）

2.2.3 热力计算依据

调节级的热力计算主要是指调节级各项损失和相对内效率的计算。对于每股汽流的级后焓可以借助调节级特性计算得到的曲线计算。通过每股汽流的级前级后参数，可以确定该股汽流的等熵焓降，进而可以求得假想速比，查曲线可得轮周效率，随后根据初始焓便可确定每股汽流的级后焓。

调节级的轮周效率为：

（3）

式中，为全开阀门的等熵焓降。

相对内效率计算是在上述计算基础上考虑级的损失后得到的，即：

（4）

式中，为级的各项损失。

蒸汽在汽轮机级内并不能把级的理想焓降全部转变为转轴上的机械功。因为实际的能量转换过程中，除了叶栅损失以外，级内还有各种损失存在，使得汽轮机级发出的有效功减少。这些损失分别为：扇形损失、叶轮摩擦损失、部分进汽损失、漏气损失和湿汽损失。在调节级内由于叶片很短并且处于过热蒸汽区，所以调节级内的损失主要包括叶轮摩擦损失、部分进汽损失、漏气损失。而部分进汽损失又可分为鼓风损失和斥汽损失。

2.2.4 气流力计算依据

圆周向汽流力除了产生使转子转动的扭矩外，还会产生剩余的力。这部分力可以由圆周向力沿X和Y积分得到：

（5）

（6）

式中，为圆周向汽流力（N）；分别为该喷嘴弧段的起始、终止角（弧度）。

轴向分力可由气体轴向分量动量变化和叶片前后的静压差确定：

（7）

式中，分别为叶片进、出口的轴向分速（m/s）；分别为叶片前后气体静压力（）；叶片节距（m）；叶片高度（m）；通过该喷嘴组的流量（Kg/s）。

3 结语

该文针对600 MW和300 MW两个典型级别机组，分析了喷嘴调节方式对机组调节级叶片强度的影响，并给出了喷嘴调节方式对调节级叶片强度的计算方法。这对保证我国占主流的300 MW级别和600 MW级别机组的安全高效运行具有一定的借鉴意义。

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