（哈尔滨汽轮机厂有限责任公司 黑龙江哈尔滨 150046）
摘要：排汽缸是将末级动叶排出的蒸汽引入冷凝器的汽流通道，将末级出口的余速动能尽可能地转化为压力能。在凝汽器压力给定的情况下，降低透平末级出口处的静压，能够使透平级焓降增大，提高汽轮机组效率。研究表明，排汽缸损失每降低0.1，汽轮机的整机效率可提高0.15％。因此研究排汽缸内的流动，对提高排汽缸气动性能有重要意义。基于此，本文主要对汽轮机单层排汽缸的结构设计进行分析探讨。
关键词：汽轮机；单层排汽缸；结构设计
1、概述
汽轮机单层排汽缸一般分为单层缸和双层缸，而本文主要讲述的是单层排汽缸的结构设计。汽轮机单层排汽缸的作用是将通流内工质高效的引导到冷凝器中，单层排汽缸设计得好坏，可从汽轮机末级排汽的余速损失回收的效果得到评价。单层排汽缸它是一个压力薄壳容器，欲使其具有很好的刚性是不易的。一般只要求单层排汽缸的特殊重点部位具有足够的刚度。单层排汽缸设计上的应该具有两大特点，即良好的气动性能和足够的刚度。但对于二者不能同时满足时，要保证机组的安全是首要的，即保证刚度是最主要的，但是二者也应综合考虑。
2、单层排汽缸的设计前提条件
在开始单层排汽缸设计之初，要知道单层排汽缸的设计条件（即进汽参数），并由此确定排汽缸采用单双层哪种结构形式。单层排汽缸的优点是结构不复杂，缺点是对较高工质参数不能承受。机组方案设计时，已确定了末级出口动叶片的高度和平均直径，由通流部扩张角的形状可以确定进入排汽缸工质的径向偏斜角。
3、单层排汽缸重要尺寸确定
目前排汽缸母型都是做了大量的气动试验而获得的，国内外大量的空动试验资料揭示出了排汽缸的气动性与其几何尺寸有重要关系。在排汽缸设计时根据已有的试验成果来确定主要尺寸，即可成型排汽缸。
损失系数ξ在确立：在排汽缸中工质的能量损失与工质进入时具有动能的比值。
式中k——绝热指数；i1——进入排汽缸工质滞止焓；i1——进入排汽缸工质焓；ik——离开排汽缸工质焓；p1——进入排汽缸工质滞止压力；p1——进入排汽缸工质压力；pk——离开排汽缸工质压力。当ξ<1时，只有部分末级动叶的余速动能被用于使工质流过排汽缸，另一部分（1－ξ）被回收，其被转为排汽缸出口处工质的压力能。这时，p1<pk，即i1=ik。而（ik=i）此部分能量被转化为末级1的可用焓降，因此提高了机组的效率。当ξ＝1时，说明末级动叶的余速动能恰好被用于工质流过排汽缸的损失,以及排汽缸出口的余速损失。此时，p1=pk。当ξ>1时，不仅是末级动叶的余速动能，另有一部分压力能都被用于使工质流过低压缸，这时p1>pk，因此末级无法完成预先分配给它的焓降，做功能力减小，机组的效率降低。通常认为，汽轮机低压缸的损失系数ξ<0.8时，此种形式的低压缸的气动性能就是良好的。当ξ<1时则该排汽缸不是良好的，但是可以使用的。
排汽扩压段的确定：排汽扩压段形式有直曲线型、折线型和直线型3种型式，单层排汽缸的轴向尺寸受设计条件限制，排汽扩压段一般都设计成轴向+径向的结构形式。当工质在排汽扩压段背弧发生脱离时，就会产生开放形式的脱离区，这即会形式漩涡损失，同时也缩小了排汽扩压段的有效出口面积，扩压效果降低了。当工质在扩压段内发生弧脱离时，也会产生一个封闭的漩涡区，只发生漩涡损失，不会影响排汽扩压段出口有效截面的利用。排汽扩压段外径和长度的确定：汽轮机的整体设计应是紧凑、通用性好和重量轻，那么排汽扩压段的长度是由母型机预先选定的。由于工质在轴向+径向扩压段中转弯后要径向扩压，因此排汽扩压段的外径不应太小。排汽导流环设计：排汽导流环是否在排汽扩压段设置，其主要与末级动叶出口汽流的径向偏转角大小有关。当汽流的径向偏转角≥22°时，排汽导流环对提高扩压段内的效率效果不明显，有导致扩压段损失增加的可能。单层排汽缸的主要构造见图1。
排汽扩压段轴向扩散角α1与α2：α1与α2是进口工质流动状态非常重要的因素，根据单层排汽缸的实际情况，可选取一个最小允许的排汽扩压段起始内弧扩散角α1。再根据排汽扩压段已有的试验曲线和其它尺寸选择排汽扩压段起始背弧扩散角α2。恰当地配合α1与α2，有能效保证在排汽扩压段相对长度（L／l）为一定的情况下排汽扩压段有优良的性能。
排汽扩压段出口宽度设计：排汽扩压段出口宽度（即b）对排汽扩压段的损失影响很大。b值太小扩压效果不明显，而b值太大易在背弧形成开放的脱离区。必然存在一个出口宽度b佳的最佳值。扩压段折转段设计：排汽扩压段折转段形状设计的好坏对排日内扩压段背弧处能否出现开放的分离区具有重要意义。根据试验资料得出的汽轮机排汽缸排汽扩压段的r1/r2选择曲线如图2。
D/I 排汽扩压段相对宽度；为L/I为排汽扩压段相对长度
图2
扩压蜗壳设计：扩压蜗壳和排汽扩压段是二道扩压元件。排汽缸损失是指二道损失之和。扩压蜗壳将从排汽扩压段周向出口排出的汽流导引到排汽口，并使工质在扩压蜗壳流动中会继续将余速动能再回收一部分。设计扩压蜗壳的主要参数有：扩压蜗壳水平中分面两侧宽度、扩压蜗壳上半高度、扩压蜗壳上半横断面几何尺寸和汽缸出口宽度。扩压蜗壳水平中分面宽度设计：扩压蜗壳水平中分面宽度2Bc对排汽缸进口静压分布和对扩压蜗壳的损失系数都起重要的作用。通过做空动试验，得出最佳扩压蜗壳中分面宽度的公式为：2Bc/Φ=1.5～1.8扩压蜗壳上半缸高度确定：确定排汽扩压段尺寸后，扩压蜗壳上半高度则由扩压段顶部出口截面到扩压蜗壳上半缸壁之间的间隙h，通过理论和试验均表明，当h/b≈1时则为最佳结构。因结构布置不能恰好满足h/b≈1时，则可以采用h值比b值略小一点。此时，
HB＝（Φ／2）+h
单层排汽缸的出口宽度2BH确定：依据排汽扩压段长度等因素预先选排汽缸出口的轴向宽度，再依据排汽口截面的容积流量和排汽口截面处的汽流平均速度C用连续方程计算得到出口宽度2BH
2BH＝(G×V)/(3.6×L×C)（或G×V＝F×C其中F＝2BH×L）
式中G——排汽口位置容积流量，t/h；V——排汽口位置工质比容，m3/kg；L——出汽口位置轴向宽度，m；C——排汽口位置工质平均速度，m/s；F——排汽口位置出口面积，m2。
4、单层排汽缸的保护装置的设计
为使机组高效、安全的运行，对排汽缸处的排汽温度有所控制。通常排汽缸处的温度不允许高于80℃。当排汽缸处温度达到80℃时，则保护动作投入喷水冷却装置。喷水量一般设置为冷却流量的20％～25％。无论由于哪种原因导致排汽缸中的温度压力都过高，则大气阀会动作，向空排汽，泄掉排汽缸内的压力，降低排汽缸内的温度，保证机组的完全。
5、结束语
单层排汽缸的设计通常是由成熟的单层排汽缸进行模化，然后对模化后的单层排汽缸进行强度校核。如果单层排汽缸全新设计，则设计完成后还要做模化或全尺寸的气动试验，全部合格后再投入运行。
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论文作者:曲文波
论文发表刊物:《电力设备》2018年第29期
论文发表时间:2019/3/27
标签：汽缸论文; 工质论文; 单层论文; 汽轮机论文; 宽度论文; 损失论文; 中分论文; 《电力设备》2018年第29期论文;