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摘 要： 针对不同冲动式工业汽轮机组参数要求，提炼参数特点，寻找参数共性，并在新机组方案设计时，融入变型设计理念，在已有成熟方案基础上，设计出新的机型。
关键词： 冲动式工业汽轮机;方案设计;变型设计
在经历过初期各新机型的初次设计累积阶段之后，后续产品普遍使用变型设计方法，其目的是快速、高质量、低成本地生产新产品以满足不断变化的市场要求。汽轮机产品设计也符合这个规律，下面结合具体机型设计过程，介绍变型设计方法在冲动式工业汽轮机方案设计中的应用。
1 冲动式工业汽轮机组分类介绍
由于冲动式工业汽轮机组被驱动设备类型多样，例如给水泵、循环水泵、风机、螺杆机、往复机、离心机、船机等，不同被驱动设备对应转速功率跨度很大，转速从几百到一万多转每分，功率从几百到几万千瓦，同时还有不同运转特性，有的工况稳定，有的变工况频繁;在特殊场合还需要专门设计，比如船机。冲动式工业汽轮机主要分类如下：
根据进汽条件，可以分为高参数机组、中温中压机组、低压机组。
根据排汽压力，可以分为冷凝机和背压机，冷凝机里又分水冷机组和空冷机组。
按照有无工业抽/补汽条件，可分为可调抽汽机组、可调补汽机组。
冲动式工业汽轮机需要对每台机组做针对性设计来适应各种变化，这个过程就是变型设计。因此，变型设计方法在冲动式工业汽轮机方案设计中应用广泛。
2 典型变型设计
以下是几种典型的冲动式工业汽轮机变型设计过程。
一是进汽条件变化。当蒸汽条件由中温中压改成低压蒸汽时，通流设计时要减少通流级数，将双列调节级改单列调节级，同时更改节径叶高;此外，由于进汽压力降低，进汽体积流量改变，需要核算进汽速关阀口径是否够大。当过热蒸汽改成饱和蒸汽时，则需要设置防水蚀和疏水措施，进汽管道配汽水分离器，流道要有防水蚀合金化处理，每一级后设置足够口径疏水口并配疏水阀。当中压蒸汽改成高压蒸汽时，需要保证蒸汽室和前汽封汽密性，并设置相应通流级数合理分配焓降以保证叶片强度和机组效率。
二是排汽条件变化。背压对机组工况影响很大，不同的背压需要设置相应的级数以及匹配的排汽口径。此外，在通流设计时即要保证机组效率点，又要兼顾恶劣工况的通流能力，要尽量在这两个矛盾点之间寻找平衡点。
三是抽汽条件改变。对于抽汽机组，一般变型设计是由抽汽压力改变引起的。抽汽口压力变化直接影响抽汽口位置、大小、个数的设置，需要考虑抽汽空间和接管便利。
此外，机组布置形式也会催生出不少变型种类，比如上排汽、下排汽汽或者轴向排汽;公共底盘、单独底盘还是底盘油站，亦或者是免开缸撬装机组。
3 一种非典型变型设计
表1为三台机组参数，纯凝机为已有的成熟设计方案，并在用户现场成功运行，抽凝机和抽背机为需要新设计的方案。从纯凝机方案衍化出抽凝机和抽背机，这是一种非典型的跨机型的变型设计。
3.1 从纯凝机到抽凝机的变型设计
由于表1中纯凝和抽凝两台机组进汽压力、温度、转速、功率等参数接近，区别只在于是否设置抽汽，接下来从以下四个方面来分析该变型设计的具体过程。
3.1.1 排汽量比较
纯凝机只考虑最大排汽量即可，而抽凝机则需要考虑最大排汽量和最小排汽量。抽凝机的最大排汽量出现在抽汽量为零即纯凝工况下的排汽量，所有进汽都去往排汽进入凝汽器。该抽凝机功率与纯凝机组类似，最大排汽量与纯凝机相当。最大排汽量决定了冷凝机组排汽端扭叶组和排缸的通流能力的选择。而随着抽汽量的增加，为了保持机组转速功率稳定，进汽量必然增加，排汽量必然减少。当抽汽量达到最大时，排汽量为该抽凝机的最小排汽量。最小排汽量是机组扭叶组小流量工况下扭叶组是否安全运行需要考虑的。
一般来说，抽汽压力越高，在同等抽汽量的情况下，所抽走的蒸汽在汽轮机中所做的功越小，与汽轮机额定功率相比所占比重也越小，因而对排汽端的排汽流量影响也越小。表2为三台机组蒸汽量计算值。其中抽凝机在0抽和抽30t/h时，最大和最小排汽流量差值20.2-17.3=2.9t/h，差别不大，这是由于抽汽压力较高的原因。
因此，对该抽凝机来说，纯凝机的排汽端包括扭叶组、排汽缸可以直接通用，扭叶组强度也能满足要求。
3.1.2 进汽能力比较
由表2可知，抽汽量的大小对机组进汽量影响很大，该抽凝机最大进汽量为47.3t/h，是纯凝机的2.2倍。由于纯凝机蒸汽室的通流能力余量足够，因此只需要适当增加进汽喷嘴叶高或者喷嘴只数来增加进汽能力即可。进汽端蒸汽室木模和汽缸木模可以通用纯凝机。
3.1.3 增加抽汽结构
要实现抽汽功能，必须增加抽汽结构，这是纯凝机组不具备的。由于抽汽压力较高，抽汽口开在调节级之后，在汽缸底部做抽汽背包，抽汽口和二段进汽口前后布置，汽缸内两个腔室用分隔板隔开。核算抽汽口和二段进汽口大小，并配置抽汽速关阀和管道抽汽调阀。
3.1.4 临界转速校核
由于要保证抽汽空间，同时要兼顾整机效率，压力级级数不减少，轴跨距只能增加，前后轴承和轴承座仍沿用纯凝机部套。由于轴跨距增加，必须校核临界转速，表3为临界转速计算值。因此临界转速也满足机组使用要求。
综合以上各方面分析，该抽凝机需要在纯凝机上增加进汽能力和抽汽结构，高压段汽缸（包括蒸汽室）、排缸、压力级通流、前后汽封、前后轴承座、前轴轴承等部套均可通用。抽凝机和纯凝机具体结构变化如下图所示。
3.2 从抽凝机到抽背机的变型设计
背壓机可以看做是特殊的冷凝机，由表1和表2可知该抽背机和抽凝机的主要区别有两点：一是纯凝改背压;二是机组转速提高较多。
直接截取抽凝机通流中的高压调节级+前5个压力级作为抽背机组通流来做热力计算，发现截取的通流能较好适合新的抽背机而不用做调整。这是由于转速提高1917rpm，且抽汽压力从3.82 MPa（A）增加到4.5 MPa（A），因此对压力级来说单级压差可以变大以增加通流能力，并与升高的转速相匹配使每级速比达到高效率点。通过强度和振动分析，直叶片裕量充足，能满足抽背机的高转速安全运行要求。
此外，在汽缸结构上要将冷凝排汽端去掉，重新设计背压排汽出口结构，并设计背压汽封满足封汽要求，选择现有的背压机组用后轴承座。
变型设计后的抽背机和抽凝机具体结构变化如图1所示。临界结果见表3，由于跨距缩短，转子变成刚性转子，临界也满足使用要求。
3.3 小结
这种非典型跨机型的变型设计方法给新产品方案的开发设计工作提供了一种重要思路，它表明各种类型汽轮机之间并非毫不相关，而是存在着内在联系，需要设计人员在已有成熟机型上去挖掘各参数之间的关系，并加以合理利用。这对降低新开发机组方案设计难度效果显著。
4 结语
冲动式工业汽轮机设计过程中采用变型设计方法可以减少技术部门重复设计的工作量，丰富新产品种类，使零部件通用化，产品系列化，同时降低生产成本，缩短制造周期，及时响应用户需求。
参考文献：
[1]黄保海，白玉，牛卫东.汽轮机原理和构造[M].北京：中国电力出版社，2002：189-236.
[2]侯曼西，梁涛.冲动式工业汽轮机[M].重庆：重庆大学出版社，1995：51-95.
关键词： 冲动式工业汽轮机;方案设计;变型设计
在经历过初期各新机型的初次设计累积阶段之后，后续产品普遍使用变型设计方法，其目的是快速、高质量、低成本地生产新产品以满足不断变化的市场要求。汽轮机产品设计也符合这个规律，下面结合具体机型设计过程，介绍变型设计方法在冲动式工业汽轮机方案设计中的应用。
1 冲动式工业汽轮机组分类介绍
由于冲动式工业汽轮机组被驱动设备类型多样，例如给水泵、循环水泵、风机、螺杆机、往复机、离心机、船机等，不同被驱动设备对应转速功率跨度很大，转速从几百到一万多转每分，功率从几百到几万千瓦，同时还有不同运转特性，有的工况稳定，有的变工况频繁;在特殊场合还需要专门设计，比如船机。冲动式工业汽轮机主要分类如下：
根据进汽条件，可以分为高参数机组、中温中压机组、低压机组。
根据排汽压力，可以分为冷凝机和背压机，冷凝机里又分水冷机组和空冷机组。
按照有无工业抽/补汽条件，可分为可调抽汽机组、可调补汽机组。
冲动式工业汽轮机需要对每台机组做针对性设计来适应各种变化，这个过程就是变型设计。因此，变型设计方法在冲动式工业汽轮机方案设计中应用广泛。
2 典型变型设计
以下是几种典型的冲动式工业汽轮机变型设计过程。
一是进汽条件变化。当蒸汽条件由中温中压改成低压蒸汽时，通流设计时要减少通流级数，将双列调节级改单列调节级，同时更改节径叶高;此外，由于进汽压力降低，进汽体积流量改变，需要核算进汽速关阀口径是否够大。当过热蒸汽改成饱和蒸汽时，则需要设置防水蚀和疏水措施，进汽管道配汽水分离器，流道要有防水蚀合金化处理，每一级后设置足够口径疏水口并配疏水阀。当中压蒸汽改成高压蒸汽时，需要保证蒸汽室和前汽封汽密性，并设置相应通流级数合理分配焓降以保证叶片强度和机组效率。
二是排汽条件变化。背压对机组工况影响很大，不同的背压需要设置相应的级数以及匹配的排汽口径。此外，在通流设计时即要保证机组效率点，又要兼顾恶劣工况的通流能力，要尽量在这两个矛盾点之间寻找平衡点。
三是抽汽条件改变。对于抽汽机组，一般变型设计是由抽汽压力改变引起的。抽汽口压力变化直接影响抽汽口位置、大小、个数的设置，需要考虑抽汽空间和接管便利。
此外，机组布置形式也会催生出不少变型种类，比如上排汽、下排汽汽或者轴向排汽;公共底盘、单独底盘还是底盘油站，亦或者是免开缸撬装机组。
3 一种非典型变型设计
表1为三台机组参数，纯凝机为已有的成熟设计方案，并在用户现场成功运行，抽凝机和抽背机为需要新设计的方案。从纯凝机方案衍化出抽凝机和抽背机，这是一种非典型的跨机型的变型设计。
3.1 从纯凝机到抽凝机的变型设计
由于表1中纯凝和抽凝两台机组进汽压力、温度、转速、功率等参数接近，区别只在于是否设置抽汽，接下来从以下四个方面来分析该变型设计的具体过程。
3.1.1 排汽量比较
纯凝机只考虑最大排汽量即可，而抽凝机则需要考虑最大排汽量和最小排汽量。抽凝机的最大排汽量出现在抽汽量为零即纯凝工况下的排汽量，所有进汽都去往排汽进入凝汽器。该抽凝机功率与纯凝机组类似，最大排汽量与纯凝机相当。最大排汽量决定了冷凝机组排汽端扭叶组和排缸的通流能力的选择。而随着抽汽量的增加，为了保持机组转速功率稳定，进汽量必然增加，排汽量必然减少。当抽汽量达到最大时，排汽量为该抽凝机的最小排汽量。最小排汽量是机组扭叶组小流量工况下扭叶组是否安全运行需要考虑的。
一般来说，抽汽压力越高，在同等抽汽量的情况下，所抽走的蒸汽在汽轮机中所做的功越小，与汽轮机额定功率相比所占比重也越小，因而对排汽端的排汽流量影响也越小。表2为三台机组蒸汽量计算值。其中抽凝机在0抽和抽30t/h时，最大和最小排汽流量差值20.2-17.3=2.9t/h，差别不大，这是由于抽汽压力较高的原因。
因此，对该抽凝机来说，纯凝机的排汽端包括扭叶组、排汽缸可以直接通用，扭叶组强度也能满足要求。
3.1.2 进汽能力比较
由表2可知，抽汽量的大小对机组进汽量影响很大，该抽凝机最大进汽量为47.3t/h，是纯凝机的2.2倍。由于纯凝机蒸汽室的通流能力余量足够，因此只需要适当增加进汽喷嘴叶高或者喷嘴只数来增加进汽能力即可。进汽端蒸汽室木模和汽缸木模可以通用纯凝机。
3.1.3 增加抽汽结构
要实现抽汽功能，必须增加抽汽结构，这是纯凝机组不具备的。由于抽汽压力较高，抽汽口开在调节级之后，在汽缸底部做抽汽背包，抽汽口和二段进汽口前后布置，汽缸内两个腔室用分隔板隔开。核算抽汽口和二段进汽口大小，并配置抽汽速关阀和管道抽汽调阀。
3.1.4 临界转速校核
由于要保证抽汽空间，同时要兼顾整机效率，压力级级数不减少，轴跨距只能增加，前后轴承和轴承座仍沿用纯凝机部套。由于轴跨距增加，必须校核临界转速，表3为临界转速计算值。因此临界转速也满足机组使用要求。
综合以上各方面分析，该抽凝机需要在纯凝机上增加进汽能力和抽汽结构，高压段汽缸（包括蒸汽室）、排缸、压力级通流、前后汽封、前后轴承座、前轴轴承等部套均可通用。抽凝机和纯凝机具体结构变化如下图所示。
3.2 从抽凝机到抽背机的变型设计
背壓机可以看做是特殊的冷凝机，由表1和表2可知该抽背机和抽凝机的主要区别有两点：一是纯凝改背压;二是机组转速提高较多。
直接截取抽凝机通流中的高压调节级+前5个压力级作为抽背机组通流来做热力计算，发现截取的通流能较好适合新的抽背机而不用做调整。这是由于转速提高1917rpm，且抽汽压力从3.82 MPa（A）增加到4.5 MPa（A），因此对压力级来说单级压差可以变大以增加通流能力，并与升高的转速相匹配使每级速比达到高效率点。通过强度和振动分析，直叶片裕量充足，能满足抽背机的高转速安全运行要求。
此外，在汽缸结构上要将冷凝排汽端去掉，重新设计背压排汽出口结构，并设计背压汽封满足封汽要求，选择现有的背压机组用后轴承座。
变型设计后的抽背机和抽凝机具体结构变化如图1所示。临界结果见表3，由于跨距缩短，转子变成刚性转子，临界也满足使用要求。
3.3 小结
这种非典型跨机型的变型设计方法给新产品方案的开发设计工作提供了一种重要思路，它表明各种类型汽轮机之间并非毫不相关，而是存在着内在联系，需要设计人员在已有成熟机型上去挖掘各参数之间的关系，并加以合理利用。这对降低新开发机组方案设计难度效果显著。
4 结语
冲动式工业汽轮机设计过程中采用变型设计方法可以减少技术部门重复设计的工作量，丰富新产品种类，使零部件通用化，产品系列化，同时降低生产成本，缩短制造周期，及时响应用户需求。
参考文献：
[1]黄保海，白玉，牛卫东.汽轮机原理和构造[M].北京：中国电力出版社，2002：189-236.
[2]侯曼西，梁涛.冲动式工业汽轮机[M].重庆：重庆大学出版社，1995：51-95.