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文档简介

圣言浇扮拔IDONGFANGTURBINEL7孙奇孔祥林江生科东方汽轮机有限公司,四川德阳,618000摘要透平通流技术的研发通常采用数值和试验分析相结合的方法,空气透平试验更加接近叶栅实际的工作条件,使我们可以获得透平机械叶栅通道内气体流动的更真实的物理现象,为设计开发提供可靠的试验数据。文章对东方汽轮机有限公司的空气透平试验台系统组成、参数选择、本体结构特点、关键参数的测量进行了阐述,对试验台设计中的关键技术问题进行了分析说明。关键词系统;试验台本体关键技术参数测量THEDESIGNANDDEVELOPMENTFORMULTISTAGEAIRTESTTURBINESUNQI,KONGXIANGLIN,JIANGSHENGKEDONGNGTURBINECO,LTDDEYANGSICHUAN618000ABSTRACTRDOFMODEMTURBINEFLOWTECHNOLOGYUSUALLYUSESNUMERICALCALCULATIONANDTESTANALYSISMETHODSAIRTURBINETESTINGISCLOSERTOTHEREALWORKINGCONDITIONSOFBLADECASCADE,SOTHATWECANOBTAINREALPHYSICALPHENOMENONWHICHGASFLOWINTHETURBOMACHINERYBLADECASCADE,THENPROVIDERELIABLETESTDATAFORTHEDESIGNANDDEVELOPMENTTHISARTICLEINTRODUCESCOMPOSITION,PARAMETERSELECTION,FACILITYBODYSTRUCTURECHARACTERISTICSANDKEYPARAMETERSMEASUREMENTOFTHENEWAIRTESTTURBINESYSTEMOFDTC,ANDANALYSEDKEYTECHNICALMATTERSINTHETESTTURBINEDESIGNINGKEYWORDSSYSTEM,TESTTURBINEBODY,KEYTECHNOLOGY,PARAMETERMEASUREMENTO引盲IL|_LLL|誉J为提高透平通流效率,国内外诸多学者和制造商对叶片的设计方法和流动结构进行了研究,叶片的优化设计必须基于对汽轮机通流内部复杂流场细节的充分了解与分析。现代透平通流技术的研发通常采用数值和试验分析相结合的方法。数值分析是随着计算流体动力学和计算机软硬件的发展,为叶轮机械研究者提供了一个十分有用的研究手段,并已广泛应用于工程设计。但数值分析由于计算条件的限制,采用大规模的直接数值求解的方法目前尚无法展开,通常采用求解雷诺平均NAVIERSTOKES方程组,引入了湍流模型。叶栅计算中常用的代数湍流BALDWINLOMAX湍流模型、湍流输运模型有JONESLAUNDER的K一模型、WI1COX的K一模型及K一I,模型,COAKLEY的QCO模型等。由于采用了湍流模型,数值求解结果的绝对值通常与实际值有一定的偏差,需进行试验验证,常用的试验手段有平面叶栅特性试验、环形叶栅试验、空气或蒸汽模拟透平级单级或多级试验,乃至进行实物机组试验。空气透平试验更加接近叶栅实际的工作条件,使我们可以获得透平机械叶栅通道内气体流动的更为真实的物理现象,为设计开发提供可靠的试验数据。通过级试验,可得出试验级的效率作者简介孙奇1969一,男,教授级高级工程师,毕业于西安交通大学,艮期从事汽轮机的设计和开发,已有多篇学术论文在多种杂志上发表。8J索言汔粉揍LDONGFANGTURBINE与速比变化关系曲线、根顶部反动度与速比的变化关系曲线和级反动度、进出口汽流角、出口速度、能量损失系数、级相对内效率等沿叶高分布。还可以对叶栅通道内的流场进行详细测量,分析在级环境下不同叶型及不同三维设计对二次流的影响,对叶型表面压力分布和通道内流动的影响,进而研究如何降低叶栅通道内的流动损失。空气透平试验从单级到多级,是目前研究叶栅三维流场有效的手段。GECA1STHOM公司用空气透平试验台进行了隔板汽封漏汽及优化平衡孔漏汽的研究,日立公司在空气透平试验台上对其采用全三维设计的级进行了详细的流场测试。日立公司对其开发的高负荷动叶进行了级半的空气透平试验,还在三级空气透平试验台上进行了低压级喷嘴斜置对级效率影响的试验研究。东芝公司也对传统直叶片级、复合倾斜弯曲叶片级、AVN叶片级在空气透平试验台上进行了对比试验,剑桥大学VSP等人在大尺寸的空气透平试验台卜进行透平高压级通道内涡的形成和发展的研究。AACHEN大学DIETER等人在多级空气透平试验台上对非均匀进汽对后面级的影响进行了研究。为了深入研究透平叶栅通道内的复杂流动机理,提高通流级效率,东方汽轮机有限公司经过多方面的论证,建成了国内同行业中最先进、试验能力最强的多级空气透平试验台。1LLL涟募赫JLLLLL0空气透平试验台主要由风源系统、管路系统、电气系统、测量控制系统、水系统及试验台位本体等部分组成。试验系统原理如图L所示。1试验系统原理图气透平试验台通常有两种方式,一种为吸入式,即在试验台排气端抽真空,这种结构的主要优点是进口流场容易组织均匀,噪声值也会下降,但对于多级透平而言,它的主要缺点是经过多级膨胀做功后温度会降至零下,以三级为例会降至一20。C30C左右,此时空气中的水蒸汽已开始结冰,必须对空气进行干燥,这样系统较复杂,投资也会增加。另一种为灌入式,即在试验台进气端引入高压气源,这种结构的主要优点是系统相对简单,但进口流场组织要困难一些,噪声值也要大一些。目前国内风洞通常采用这种方式,经综合考虑,决定采用灌入式。气源采用离心式鼓风机,水力测功器作为空气透平试验台的负载和测功元件。鼓风机和水力测功器的选型涉及到空气透平试验台的试验能力,根据国内汽轮机行业的现状和发展趋势,试验对象应以600MW及1O00MW机组的高中压级为主,我们进行了单级和多级计算,以确定风源的流量和压头、水力测功器的转速及测功范围。中压末级在高中压级中叶高和容积流量最人,高压末级质量流量较中压级大,叶高和容积流量是高压级中最大的,因此我们以600MWH1000MWL组中压末级、高压末级作为模型试验级进行单级计算,同时还对300MW、600MWIIO00MW的低压典型级在一定模化比下进行了校核计算,以确定风机的流量和水力测功器的转速范围。三级计算以600MW和IO00MW中压末三级在模化比分别取05、06、07、10下进行计算,以确定风机的最高出口压力和水力测功器最大测功范围。根据计算结果,风机选取两台2500KW的离心式鼓风机,试验时根据需要,单台运行或两台并联运行。另外根据不同的试验要求,配置了两台630KW的离心式鼓风机,还配了一台110KW的小风机。水力测功器选择大小水力测功器各一台,以适应试验透平在不同工况下的负载和测功要求。本翻涣键I昧I根据气源能力,试验台设计为三级空气透平试验台,中间级为试验级。根径变化范围为6601000;试验叶片高度最长可达250,可进行单级、双级、三级空气透平的性能及流场测试。21进、排气部分对于试验设备来讲,进、排气流场的均匀与稳定是至关重要的,是试验结果准确可靠的保证。在试验台没计时我们研究了剑桥大学、GE公司、AACHEN大学。、日市公司川、东芝公司和国内上海发电备成会设计研究院的空气透平试验台结构,决定试验台本体采用卧式布置,在进口段设置整流段利稳流段。进气部分通常有轴向和径向进气方,径向方式采J涡壳将气流南径向转为轴向,不同的进排气方式有优缺点,我们对此进行了大量的算分析。两种进气方式的流线图如图2和3。采用径向进气时,不仅气流下小均匀,而且压损较大,要使气流均匀就需要很长的轴向导流段,这会给结构计带来很大难度,所以进气采用轴向进气,并采用流线型支撑筋米支撑轴承庠。VEDT爨图2轴向进气的流线幽罔3向进气的流线索言汽粉按1QDONGFANGTURBINEF由于试验台的耗功元件为水力测功器,它与排气端的转子棚联,冈此排气只能采用涡壳径向排气,径向排气可采用向排气、切向排气、对称排气,但无论采用向下排气还足涡壳切向排气,由十上卜不对称见图4,其上下半压差达800900PA,为满足均匀排气要求,只能采用对称排气,设下对称的四个排气口,如图5。另外,进排气部分设置内外导流环,在试验时通过改变前后导流环来适应不同根径和叶高要求,为减轻重量导流环采用钒材。VELOOTV“囊蛋4VELOCLTY”2165EQDO4切向排气的流线罔图5FX,J称排气的流线22轴系由于采用了轴向进气,给油润滑轴承的支撑、油管路的布置与密封带来困难。因此,转子前后的支撑采用精密滚动轴承。因此,轴承不能落地,只能落在缸H。试验转子设计为刚性转子并分三段,每段之间用螺栓连接。当试验根径变化时,只需更换中间段就可以了。轴承选用了10LXK轴O38一糖,旋獯LE1OF索言汔盼按IDONGFANGTURBINESKF的精密滚动轴承,前部选用精密单列圆柱滚子轴承,后部采用精密配对角接触的球轴承,前轴承可以补偿轴向位移,后轴承能承受轴向推力,是转子热膨胀的死点。滚动轴承采用脂润滑,不同的温度选用不同类型的润滑脂。由于缺乏滚动轴承支撑刚度的数据,我们在不同支撑刚度下计算了转子的临界转速,在试验时我们将实测转子的临界转速,并反过来确定轴承的支撑刚度。23轴承温度场分析试验台采用轴向进气,进气段前轴承封闭在进气导流锥内部,而且进气温度较高不采用风机出口冷却器,试验台最高进气温度可达到163,前轴承的运行条件恶劣,因此我们采用有限元软件对轴承进行了瞬态和稳态温度场分析。瞬态热分析和稳态热分析的主要不同在于,瞬态热分析需要给出轴承生热率随着时间变化的趋势,而在稳态分析中生热率是作为恒定载荷施加上去的,另外瞬态热分析还需要给定结构的初始温度,给定进行积分计算的时间步长。计算结果表明,前滚子轴承在工作超过2小时后趋于恒定,温升约为50,如果在风机出口不加冷却器,试验台的进气温度可达LJ21O以上,我们决定在风源系统中增加风机出口冷却器,并选用高温型的轴承润滑脂,以此解决轴承的高温问题。图6是试验台本体的纵剖面图。图6试验台本体纵剖面图31功率和转速测量试验透平的实际功率是空气透平试验中关键数据之一,功率的测量除了采用水力测功器外,还设置了扭矩测量仪,在试验转子和水力测功器转子之间设一大一小两台扭矩传感器,分别测量不同工况下试验透平的出力。为了测出试验级的轮周功率,还需从实测功率中扣除轴承耗功、鼓风损失、漏气损失,漏气损失很难单独测量,但轴承耗功、鼓风损失可通过空转功率的测量进行确定,在进行空转功率测量时叶轮装上当量叶片,通过变转速电机拖动试验转子,在不同轴向推力和不同转速下测量电机功率,从而得到空转功率。转速由水力测功器和扭矩传感器测出,为防止试验转子和水力测功器转子之间联轴器失效,防止试验转子超速,在转子上设置测速装置,该转速信号和扭矩传感器、水力测功器的转速信号均作为超速保护信号。32流量进入试验台的空气流量也是空气透平试验中关键数据之一,用于计算试验透平的理论出力。我们采用短管式文丘里管,带温度和流量补偿,差压信号通过高精度005FS的压力传感器送至数据采集系统。33压力和温度进排气口以及级间的压力和温度对空气透平试验级的性能影响也至关重要,压力测量采用美国PSI公司的压力扫描阀测量模块,测量精度达005FS,进排气段导流环壁面上开静压孔作为取压口,试验级的级间压力采用五孔测针作为测压一次元件,由位移机构带动测针沿栅距和叶高自动走位。温度测量的一次元件采用A级铂热电阻PT100,二次仪表仍采用PSI公司的测温模块。4结束语LL空气透平试验台是透平核心技术研究的试验平台,该试验台已安装调试完工,并已投入了试验研究,目前是国内同行业中最先进、试验能力最强的多级空气透平试验台,它的建成使东方汽轮机有限公司在透平通流技术的研究手段上得到了较大的提升。参考文献【1】BRHALLER,BA,MA,PHD,IMPROVEMENTSINTHEAERODYNAMICSOFLARGESTEAMTURBINES,ALSTHOMTURBINEGENERATORSLIMITED,C386017,IMECHE1990【2】KIYOSHISEGAWA,YOSHIOSHIKANO,NORIOYASUGAHIRA,KUNIYOSHITSUBOUCHIANDNAOAKISHIBASHITA,AN。FANT汔URBIEI11DONGGNI0DEVELOPINGTHREEDIMENSIONALLYDESIGNEDBLADES,JSMEINTERNATIONALJOURNAL,SERIESB,VO141,NO41998【3】YSHIKAUO,NYASNGAHIRA,YYAMAZAKI,KTSUBOUCHI,TSATO,ANDRKANEKO,ANINVESTIGATIONOFLEANNNZZLEEFFECTSONLOWPRESSURESTEAMTURHINEE佑CIENCIESTHEAMERICANSOCIETYOFMECHANINALEN百NEERS,G005181990【4】TTANUMA,SNAGAO,TSAKAMOTO,SKAWASAKI,MMATSUDAANDK1MAI,AERODYNAMICDEVELOPMENTOFADVANCEDSTEAMTURBINEBLADES,THEAMERICANSOCIETYOFMECHANINALENNEERS,G009831995【5】VSPCHALUVADI,ALKALFASANDHPHODSON,VOTEXTANSPORTANDBLADEINTERACTIONINHIGHPRESSURETURBINEPROCEEDINGSOFASMETURBOEXPO2003,GT200338389【6】DIETEREBOHN,HARALDH一WFUNKE,EXPERIMENTALINVESTIGATIONINTOTHENONUNIF0瑚1FLOWIN4STAGETURBINEWITHSPECIALFOCUSONTHEFLOWEQUALIZATIONINTHEFIRSTTURBINESTAGEPROCEEDINGSOFASMETURBOEXPO2003,GT20338547【7】JOHN1CORERIV,JOHNKREINKER,WILLIAMJSUMMER,ADVANCESINSTEAMPATHTECHNOLOGY,GEPOWERGENERATION【8】上海发电设备成套设计研究院空气透平级试验结果及分析2006【9J孙奇空气透平试验台风源能力计算东方电气评论20061IMPROVEMENTOFPERFORMANCEINSTEAMTURBINEBY_一东汽有限公司顺利通过国家一级安全质量标准化企业周期性复评换证2010年1IB1日至L1月5日,中国机械工业安全卫生协会复评组一行7人,按照国家“机械制

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