技术
改善汽轮机低压缸末级叶片调峰性能的探讨
随着电网用电负荷特性的变化，对燃煤机组的调峰要求也越来越高。但对于早些年按基本负荷运行设计的汽轮机发电机组，当采用低负荷的调峰运行方式时，由于机组偏离了原设计工况，经济性和可靠性均受到影响。对汽轮机本体来讲，调峰机组频繁的起停及变工况运行，增加了机组的低周疲劳，其影响部位主要为旋转件：如转子和叶片及汽缸等部位。统计表明，低压缸叶片损坏的数量约占全部损坏叶片数的85％，而末级和次末级叶片损坏数约占低压缸叶片损坏数的75％。例如：镇海电厂200 MW机组经过一段调峰工况的运行后，曾发现汽轮机末级叶片冲蚀严重。
在小容积流量工况下，由于流动情况的改变，末级叶片受到的影响分析如下。
1 动叶出汽边水蚀
小容积流量时，原设计流场被破坏，末级叶片沿叶高的热力参数将重新分布，沿汽缸壁和叶轮的汽流发生了分离，汽流在动叶片根部和静叶栅出口顶部出现汽流脱离，形成倒涡流区。整个汽道只通过小部分汽流，相对的容积流量越小，旋涡区越大，分离的相对高度也就越大，图1为某机组末级叶片（叶根反动度为0.005）的测试数值。末级叶片反动度设计的大小对低负荷下分离程度有着显著的影响。根部反动度设计值越小，当容积流量减少而偏离设计值方向时分离的越早，分离的相对高度也越大，反之亦然。
对原200MW汽轮机末级叶片做各种负荷完全平衡计算，计算结果表明：当负荷低于60％时，根部出现负反动度，当负荷降低至40％时，根部反动度达－19％，同负反动度一起出现的是动叶前后近根部的递压梯度，此时动叶后的静压力将大于动叶前的静压力，在这种汽流条件下将使叶型表面的附面层增厚乃至脱离，为在根部区形成一个较大的倒涡流区造成外部条件。当汽流在动叶片根部和静叶栅出口顶部出现汽流脱离，形成倒涡流区时，由于末级排汽湿度大，汽流中夹带的水滴随蒸汽倒流冲击叶栅。水冲蚀使得根部截面积减小，大大削弱了其强度，对机组的安全运行造成了威胁。
2 动叶片颤动
末级叶片颤动也是低负荷运行时经常发生的。颤动即自激振动，是当叶片表面蒸汽流发生脱离现象形成涡流所致。图2为汽机测试所得的动应力随相对容积流量的关系曲线，在0.4～1.0范围内，动应力随负荷的降低而减小，进一步降低容积流量，动应力开始上升，当容积流量为0.2附近达到最大，然后随容积流量的减少急剧下降至零。图中虚线为假设有汽流脱离时的动应力。
在容积流量减小时，激振力的频率并没有变化，所以这种动应力突增现象无法用强迫振动予以解释。由于动应力突增现象是发生在小容积流量工况，所以小容积流量工况的气动特性是引起动应力突增的根源。
在小容积流量工况下，动叶根部区域由于汽流脱离所造成的涡流和叶预处的汽流偏转而激发了叶片的自激振动。即使在设计工况下调开叶片的固有频率，仍有可能由于自激振动而落入共振区，使叶片的动应力突增。
研究表明，引起汽轮机叶片在小容积流工况下动应力突增的是流体自激振动中的失速颤振。失速汽流对叶片所作的正功小于机械阻尼所消耗的功时，叶片从汽流吸收的能量不断被机械阻尼所消耗，叶片振动的振幅逐渐衰减，振动趋于消失。反之，叶片从汽流吸收的能量不断增加，叶片振动的振幅逐步加大，于是发生颤振。
3 降低叶片水浊和振动的措施
以上分析可知动叶根部汽流脱离旋涡是造叶栅水蚀和动叶颤振的主要原因，而根部汽流脱离旋涡乃是根部反动度所致，所以从根部增大反动度，避免在小容积流量下出现负值是解决末级叶片水蚀和颤振的有力措施之一。
以镇海电厂的4台220 MW机组为例对汽机末级叶片进行改造，动叶根部反动度提高至16％，可避免根部区域的倒涡流形成。经一年多的运行，开缸检查末级叶片的水蚀情况得到很大的改善。叶片水蚀的情况得到了控制，大大提高了机组的调峰性能。应注意的问题还有：
（1）在设备选型时，要针对低负荷运行对末级叶片的影响进行叶片选型论证。在汽流设计上精心选择动叶和静叶的最合适的配合流型，选用对冲角不敏感的叶型，增大叶片反动度。同时制造厂在末级动叶根部区域出汽边背弧侧应采用硬质合金以防水蚀。
（2）低压缸喷雾装置用于控制汽缸温升，应有较好的效果：一是严密性好，停开方便，灵敏精确。二是雾化效果好，无大粒水或水柱。三是喷射方向安装正确，保证顺流，避开末级叶片，使水蚀减少到最低限度。
（3）低负荷运行时，应控制真空，减少排汽湿度，减轻叶片颤动。
（4）用寿命管理制定合适的机组调峰负荷曲线，降低机组的寿命损耗和部件的损坏机率。
（5）根据200 MW等级汽轮机的设计特点，调峰的幅度宜控制在不低于50％负荷为宜。
