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第五节 小容积流量工况与叶片颤振

大功率汽轮机的最后几级，特别是未级，在小容积流量下远行时，出现叶片振动应力升高，转子和静子被加热，未级动叶出口边受到水珠冲蚀，级的有效功率可能是负值等现象，这将影内汽轮机的安全性与经济性。汽轮机负荷大幅度下降(包括只带厂用电及空载)时，蒸汽流量大大下降，供热抽汽式汽轮机抽汽量很大时，供热抽汽口后各级蒸汽量大大下降为利用凝汽式汽轮机排汽供热而提高其背压运行时，末级排汽口比容减小，这些都将使最后几级特别是未级的容积流量大为减小。

为了分析小容积流量下汽轮机的安全性与经济性，60年代初以来，苏联等国对小容积流量工况开展了研究，70年代末以来，我国一些高等院校与科研生产单位对此也进行了研究。最后几级(特别是末级)是高径比

1??lb较大的级，称db为大扇度级。大扇度级小容积流量下的变工况是前面介绍的级的变工况的某些补充(有人称之为“深度变工况”)，这里作一些介绍。小容积流量工况下的长叶片有可能被诱发颤振，所以把叶片颤振也放在这里介绍。 一、小容积流量工况

1．小容积流量下大扇度级的流动特征

级的容积流的用相对值表示，Gv1?G1v11Gv,Gv2?121。G和G1分别表示Gv1Gv2没计工况下与变工况下的流量；v1,v2与v11,v21分别表示没计工况下与变工况下喷嘴、动叶出口比容。容积流量减小过程中，大扇度级内的流动将发生很大变化。

?图3.5.1所示是大扇度级流线变化图。图3．5．1(a)是??2.6，a1?20＝常数，

?m?0.46的单级透平实验所得的流线变化图，Gv2?0.97时，流线接近没计工

况；Gv2?0.65时，动叶后根部已出现沿圆周方向运动的涡流，但速度比u小得

Gv2?0.50时，多，动叶根部流线向止倾斜；动叶后根部涡流区与脱流高度增大；Gv2?0.37时，不但动叶后涡流和叶根脱流高度更大，而且喷嘴与动叶的外缘间

隙出现涡流，这一涡流以接近叶顶圆周速度的速度沿圆周方向运动，涡流中心的

轨迹是一个圆，喷嘴中流线向下弯曲，动叶中流线向上弯曲更大；当Gv2?0.04时，动叶后涡流几乎占振了整个叶高，只有外缘有流量，动叶内流线呈对角线，动叶、静叶间间隙涡流扩大到大部分叶高，只有隔板体附近有蒸汽流过。图3．5．1 (b)是在?＝2．86的真实汽轮机末级上测得的。Gv2?0.41时，叶根子午流线倾斜度较大；Gv2?0.24时，叶根脱流超过13叶高，叶间外缘涡流沿轴向深入喷嘴。

由图3.5.1可见，在Gv2下降过程中，都是动叶后根都先出现涡流叶根脱流高度增大，然后叶间外缘出现涡流，再后两个涡流都增大。

图3．5．2(a)是全苏热工研究所在??2.8的真实汽轮机末级上测得的

?G?c2zc2z是动叶出口轴向分速，沿叶高的分配图[27]，图中lb是动叶相对高度，

v2?G表示垂直于汽轮机轴的动叶单位出口面积上的质量流量，图中画出了不同

Gv2下?G沿叶高的分配。虚线以下表示各Gv2下动叶根部脱流区高度?lsep。可

见随着Gv2减小，流量沿叶高不断重新分配。

图3．5．2(b)是西安热工研究所与平顶山姚盂电厂所作的665m m末级叶片脱流区相对叶高?lsep与Gv2的关系曲线。

图3．5．3是??2.5，Gv2＝0．14的真实汽轮机末级实测流线图[27]，说明容积流量进一步减小时，脱流会发展到前面的级。可见脱流沿叶高和轴向的深度，都将随Gv2减小而加剧。

在Gv2下降过程中，把动叶根部开始出现脱流及其后容积流量更小的工况称为级的小容积流量工况[12]。

图3．5．4是??2.86的真实汽轮机最末一级动叶出口绝对速度方向角?2随Gv2下降面变化的情况[27]。图中lb表示动叶相对高度。由图3．5．4可见，Gv2越小，?2越大。当面Gv2=0.24时，?2增大到160°左右，叶片顶部和下部的?2比设计值增大100°左右。增大原因由图3．5．5动叶出口速度三角形可见。由

于Gv2减小，w21很小，面u不变，因而c21的方向角?21大增。

2．动叶根部与叶间间隙外缘发生涡流的原因

由流体力学可知，发生脱流的必要条件是dpdz?0 (z是轴向)的轴向扩压流动与流体粘性的作用，这就表明涡流必将发生在扩压区和叶根上下端部的边界层增厚处。叶根上下端部有二次流，容易形成较厚的边界层。