目前，汽輪機設(shè)計已經(jīng)進(jìn)入了全三維設(shè)計時代，新設(shè)計機組的經(jīng)濟(jì)性、安全性和負(fù)荷適應(yīng)性不斷提高。與之相比，老式機組性能則較差。如果長期繼續(xù)使用這些性能落后的機組將造成很大的能源浪費。進(jìn)入20世紀(jì)90年代，國內(nèi)電廠開始對老式機組進(jìn)行改造。因為相對于重新設(shè)計機組而言，采用當(dāng)代汽輪機先進(jìn)技術(shù)改造現(xiàn)有老式機組是一條投資少、見效快的途徑。
1 100MW汽輪機現(xiàn)狀
佳木斯發(fā)電廠11號、12號機組的100MW汽輪機為20世紀(jì)60年代設(shè)計產(chǎn)品，主設(shè)備嚴(yán)重老化，根據(jù)電廠運行及反饋情況，存在如下問題：
a.機組設(shè)計熱耗為9252.8kJ/(kW.h)，而實際運行卻達(dá)不到此值。熱耗較新型機組高，經(jīng)濟(jì)性差。高、低壓缸效率分別為85%和80%，效率比新型機組低。
b.機組為純冷凝機組，不能熱電聯(lián)供。
c.機組使用雙列調(diào)節(jié)級，焓降大，葉片展選弦比小，二次流損失大，調(diào)節(jié)級效率低。
d.葉片型線是40~50年代蘇聯(lián)老型線，氣動性能差，葉型損失大，效率低。
e.原設(shè)計葉片采用鉚接圍帶，鉚釘頭外露，圍帶上只裝兩道汽封齒，且高壓各級壓力大，漏汽量大。
f.高、低壓缸前后汽封、隔板汽封都是老式汽封，結(jié)構(gòu)不合理，齒數(shù)少，漏汽量大；軸向間隙小，啟停不便，易造成磨擦損壞。
g.動葉根部采用軸向汽封，機組運行脹差大時，漏汽量大。
h.高壓缸后部及低壓缸內(nèi)外流道都是階梯狀，導(dǎo)葉頂部擴(kuò)張角過大，通流不光滑，蒸汽在通道中突然擴(kuò)張而產(chǎn)生脫流，使流動損失增大。階梯型結(jié)構(gòu)也增加了沖擊損失。
i.低壓缸動葉拉筋比較多，低壓第三[注]級313mm長葉片有兩道拉筋；低壓第四級長432mm葉片有一道拉筋，末級長665mm葉片也有一道拉筋。在汽流通道中，由于拉筋的存在，汽流發(fā)生繞流、脫流擴(kuò)壓和局部加速流加，增加了流動損失。另外，低壓后三[注]級動葉片頂部沒有圍帶，頂部損失和漏汽量大。
j.動靜葉軸向間隙過小，不利于機組快速啟停和適應(yīng)調(diào)峰時負(fù)荷的變化。
2 100MW汽輪機的通流部分改造
針對以上情況，采用大量的先進(jìn)技術(shù)對100MW汽輪機通流部分進(jìn)行改造，這些技術(shù)都是在其他機組上成功地運用過并取得良好效果的。
2.1調(diào)節(jié)級噴嘴采用子午面收縮葉柵
調(diào)節(jié)級子午面收縮葉柵如圖1所示。實驗結(jié)果表明，合適的收縮比和適當(dāng)?shù)淖游缑嫘途€，可以將葉柵損失降低26%。采用子午面收縮葉柵后，調(diào)節(jié)級效率提高1.1%。為確保噴嘴葉柵加工精度，噴嘴環(huán)采用焊接結(jié)構(gòu)。
2.2壓力級采用高效后加載“魚頭”葉型
新設(shè)計的高壓缸壓力級均采用后加載的“魚頭”靜葉柵(見圖2)。與傳統(tǒng)的透平葉柵速度分配規(guī)律相比，后加載靜葉柵的最大氣動力負(fù)荷位置明顯移往下游方向(見圖3)，試驗證明這種葉柵的突出優(yōu)點是：由于葉柵通道前后壓力面與吸力面的壓差較小，削弱通道的二次流強度，使葉柵損失大大降低。后加載靜葉柵不僅效率高，而且葉型剛度大，其攻角適應(yīng)范圍廣(見圖4)，這對提高機組的變工況性能非常有利。
2.3動葉片采用紅旗葉型
在改造機組設(shè)計中，高壓缸各級直葉片采用公認(rèn)高效的紅旗葉型，其余采用變截面葉片。該組變截面葉片的型線是經(jīng)過大量的氣動性能實驗研究后得到的，其氣動性能是良好的。
2.4彎扭靜葉柵
高壓缸靜葉全部采用彎扭造型設(shè)計，經(jīng)理論分析和環(huán)型葉柵吹風(fēng)試驗證明，采用后加載葉型的靜葉柵，其總損失系數(shù)比原設(shè)計下降25%以上。彎扭靜葉片采用精密鑄造工藝，葉身與兩端圍帶鑄為一體，以加強隔板的剛性。
2.5采用自帶圍帶動葉片
采用自帶圍帶動葉片有以下好處：
a.圍帶內(nèi)側(cè)可制成斜面，使子午面流道光滑，減少流動損失。
b.圍帶外側(cè)可制成平面或城墻狀，可增加汽封齒，減少漏汽損失。新設(shè)計機組的圍帶汽封由2道增加到3道或4道。
c.動葉取消拉筋，可減少流動損失。
d.動葉頂部形成整圈聯(lián)接，便于調(diào)頻和減少動葉應(yīng)力，使運行更加安全可靠。
2.6子午面流道光滑
國內(nèi)外機組的運行經(jīng)驗表明，子午面型線對通流效率會產(chǎn)生很大影響。調(diào)整通流尺寸，采用光滑的子午面通道，可使汽缸效率提高2.5%，同時動葉平均直徑適當(dāng)提高，使各級U/Co趨合理。
2.7增大動靜軸向間隙
重新調(diào)整軸向間隙后，動葉與隔板軸向間隙放大到4mm，使機組的快速啟停與調(diào)峰性能得到保證。
2.8采用徑向汽封
更換轉(zhuǎn)子，采用徑向汽封，能很好地解決漏汽量大及動靜碰磨等問題，并且對機組調(diào)峰時快速啟停非常有利。
2.9性能優(yōu)良的末級葉片
末級668mm長葉片是新一代產(chǎn)品，葉片的強度、振動特性好，氣動效率高。葉片改造方案為：靜葉出氣角沿葉高反扭4°，下部相對徑向彎曲，上部為徑向，中部略有彎曲。動葉片出氣角沿葉高反扭7°，準(zhǔn)確地計算出連接件的效應(yīng)后，使葉片出氣角與計算結(jié)果相一致。
復(fù)合彎扭長葉片級的優(yōu)越性還在于可以提高根部反動度，從而更加有效地提高級效率。根據(jù)全三維分析和多種彎曲靜葉柵的吹風(fēng)試驗結(jié)果，采用這一匹配將使末級效率提高1.8%，改進(jìn)后的末級效率比原末級效率提高5.16%，如表1所示。
表1末級葉片效率增益表
| 改造前結(jié)構(gòu) | 改造后結(jié)構(gòu) | 末級效率提高（%） |
| 等到流型 | 可控渦+彎曲靜葉流型 | 1.84 |
| 靜葉亞音速葉型 | 靜葉跨音速葉型 | 0.60 |
| 動葉老葉型 | 動葉新型跨音速葉型 | 1.72 |
| 功角大 | 攻角小 | 0.40 |
| 拱型圍帶漏汽 | 自帶圍帶封汽，紊流損失小 | 0.60 |
| 總計 | 5.16 |
3 機組改造后安全性校核及負(fù)荷適應(yīng)性分析
對各級動靜部分的強度進(jìn)行詳細(xì)的校核計算，結(jié)果表明，機組改造后的高低壓缸強度安全可靠，能夠保證機組長期安全運行。
a.“魚頭”葉型對進(jìn)汽攻角的敏感性差，汽流進(jìn)汽角范圍廣，在很大負(fù)荷范圍內(nèi)葉型損失不增加，流動穩(wěn)定，不脫流，不增加激波強度，有利于機組安全運行。
b.動、靜葉片軸向間隙的增加，使機組的快速啟停與調(diào)峰得到了保證。
c.668mm新葉片采用可控渦設(shè)計，在頂部反動度不超過70%的情況下，可將根部反動度提高到20%以上，不僅大大減小了端部損失，而且在變負(fù)荷運行時根部不出現(xiàn)負(fù)反動度、大的渦流和超高的激波強度，大大提高了機組對負(fù)荷的適應(yīng)能力。
4 結(jié)束語
采用當(dāng)代汽輪機先進(jìn)技術(shù)對老式機組通流部分進(jìn)行改造，可大幅度增容降耗，延長機組壽命。對熱電聯(lián)供的電廠，結(jié)合通流改造，將機組改造成抽氣式機組，可做到少投入，增容降耗，實現(xiàn)熱電聯(lián)供，延長機組壽命，提高機組運行可靠性和負(fù)荷適應(yīng)性。
