李超

摘 要：文章首先對(duì)優(yōu)化反動(dòng)式葉片的開(kāi)發(fā)進(jìn)行分析，分別講解開(kāi)發(fā)背景、強(qiáng)化設(shè)計(jì)應(yīng)用、二維葉柵風(fēng)動(dòng)試驗(yàn)、空氣透平級(jí)效率確認(rèn)，對(duì)高載荷靜葉、低載荷動(dòng)葉的開(kāi)發(fā)進(jìn)行研究，對(duì)汽輪機(jī)低壓軸封性能的提升措施進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：汽輪機(jī)；性能；葉片

1 優(yōu)化反動(dòng)式葉片的開(kāi)發(fā)

1.1 開(kāi)發(fā)背景

為促進(jìn)汽輪機(jī)效率提升以及在級(jí)數(shù)、轉(zhuǎn)子直徑、反動(dòng)度等方面尋求汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)的參數(shù)平衡，研發(fā)出適合結(jié)構(gòu)類型的優(yōu)化葉型，一是要在汽輪機(jī)高壓級(jí)中葉片長(zhǎng)度不能太長(zhǎng)，沿葉高方向的邊界層及二次流領(lǐng)域占比比較大，所以要對(duì)流場(chǎng)特性的高性能葉片進(jìn)行充分考慮。

按照靜葉出口的絕對(duì)速度及旋轉(zhuǎn)動(dòng)葉的周向速度，蒸汽是以一定的速度進(jìn)入到動(dòng)葉的，因此這個(gè)速度方向和動(dòng)葉入口角的距離比較遠(yuǎn)，葉型的損失非常大，除此之外還要對(duì)其他因素的影響進(jìn)行綜合考慮，所以動(dòng)葉相對(duì)流入角設(shè)計(jì)得精度變高是有一定難度的。現(xiàn)階段，葉型設(shè)計(jì)方面采用基于實(shí)驗(yàn)的強(qiáng)化設(shè)計(jì)法。

1.2 強(qiáng)化設(shè)計(jì)應(yīng)用

（1）如果把葉柵當(dāng)做是一個(gè)系統(tǒng)，通過(guò)系統(tǒng)輸入和輸出之間的關(guān)系，也即是利用原點(diǎn)直線，可以對(duì)信號(hào)因子和測(cè)量特點(diǎn)進(jìn)行選擇。（2）誤差因子和控制因子，其中誤差因子是指對(duì)于設(shè)定的功能會(huì)造成一定負(fù)面影響的因子，深入研究選擇流入角當(dāng)做是誤差因子，又考慮其他因素，最終選擇三種流入角，分別是30°、50°、70°。還有就是研究中控制因子對(duì)于葉型參數(shù)起決定性作用，數(shù)值實(shí)驗(yàn)時(shí)通過(guò)計(jì)算機(jī)，選擇和流入角特點(diǎn)以及損失特點(diǎn)有關(guān)的四個(gè)參數(shù)，分別是葉片轉(zhuǎn)向角、前緣曲率半徑、節(jié)弦片、相對(duì)葉寬。強(qiáng)化設(shè)計(jì)方面流入角特點(diǎn)和損失特點(diǎn)對(duì)應(yīng)于特性和靈敏度特點(diǎn)。（3）葉型設(shè)計(jì)：四個(gè)控制因子并不能起到全部作用，葉型形狀方面是不足夠的，需要提前按照二維紊流進(jìn)行分析，損失評(píng)價(jià)反映和葉型設(shè)計(jì)相互結(jié)合，用反問(wèn)題對(duì)葉片最大載荷及葉型進(jìn)行修正，確定候補(bǔ)長(zhǎng)度，葉片荷載分布的修正范圍僅僅是指最大載荷區(qū)域附近。（4）SN比和靈敏度特點(diǎn)：針對(duì)以上情況，進(jìn)行二維紊流分析，按照計(jì)算結(jié)果在不同情況下，SN比和靈敏度平均值的因果圖。研究發(fā)現(xiàn)目標(biāo)是要開(kāi)發(fā)損失小的葉片。（5）按照最優(yōu)條件研究：按照以上兩種條件，利用二維紊流分析及損失評(píng)價(jià)對(duì)葉型進(jìn)行比較，利用積疊沿著葉高的方進(jìn)行截面，也就是形成一枚動(dòng)葉。和普通的葉片進(jìn)行比較，最佳葉片數(shù)量減少1/3。

1.3 二維葉柵風(fēng)動(dòng)試驗(yàn)

利用二維葉柵風(fēng)洞中的五孔探針位置進(jìn)行測(cè)量，計(jì)算出能量損失系數(shù)，因此規(guī)模上分析類似于廣泛范圍氣流入角，損失特點(diǎn)平坦化，和普通葉片進(jìn)行比較，損失本身得以大大減少。

1.4 空氣透平級(jí)效率確認(rèn)

為了確保汽輪機(jī)的級(jí)效率符合要求，針對(duì)普通葉片和最佳葉片的比較情況，進(jìn)行模型透平試驗(yàn)。利用內(nèi)置熱電偶的五孔探針，沿級(jí)的出入口徑向發(fā)展，對(duì)于相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，包括壓力、溫度以及流角等。然后對(duì)流量孔扳進(jìn)行測(cè)量，測(cè)功器的出力以及探針測(cè)量計(jì)算出級(jí)效率。而且以頂部的汽封結(jié)構(gòu)也存在一定區(qū)別，和普通葉片對(duì)比分析，效率提升起碼1.5%。因此，可以得出動(dòng)葉頂部反動(dòng)度和密封結(jié)構(gòu)是有差別的，如果對(duì)漏流影響進(jìn)行綜合考慮，葉片本身效率能夠提升至103%，這種方式對(duì)反動(dòng)葉片的優(yōu)化已經(jīng)在實(shí)機(jī)中得以應(yīng)用。

2 高載荷靜葉與動(dòng)葉的開(kāi)發(fā)

2.1 高載荷靜葉的開(kāi)發(fā)

葉弦長(zhǎng)度條件一致的情況下，高載荷靜葉的數(shù)量和普通靜葉相比較少了14%，而且性能得以大幅度提高。由于葉片數(shù)量不是很多，葉片表面的摩擦損失大大降低，同時(shí)在葉片后緣的尾流損失也相應(yīng)減少，使得汽輪機(jī)性能得以提升。文章對(duì)高負(fù)荷靜葉的特點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)：首先，由于葉片頭部大頭化，所以葉片上游側(cè)同時(shí)也承擔(dān)一定程度的負(fù)荷，對(duì)于葉片整體負(fù)荷而言起到均衡的作用；其次，通過(guò)反映在葉片背面喉部下游位置曲率分布的曲線及紊流分析等方法，以此參數(shù)設(shè)計(jì)出最佳的葉片數(shù)量和葉型；最后，對(duì)葉片頭部位置進(jìn)行圓化時(shí)還需要對(duì)入射角特性及強(qiáng)度進(jìn)行綜合考慮。

2.2 高載荷動(dòng)葉的開(kāi)發(fā)

高載荷動(dòng)葉和高載荷靜葉比較類似，都是減少葉片數(shù)量，增大葉片載荷。高載荷動(dòng)葉的開(kāi)發(fā)目標(biāo)是和普通的動(dòng)葉比較而言減少大約15%的葉片數(shù)量。和高載荷靜葉相同的是，葉片數(shù)量減少的同時(shí)葉片負(fù)荷增大，所以葉片負(fù)壓側(cè)的流動(dòng)容易產(chǎn)生脫流的情況，特別是沖動(dòng)式葉片，由于葉片根部周邊的背弧曲率比較大，所以傾向性是比較顯著的。所以在對(duì)高負(fù)荷動(dòng)葉進(jìn)行開(kāi)發(fā)的過(guò)程中，對(duì)于條件的把控是對(duì)葉片強(qiáng)度進(jìn)行控制，控制范圍始終處于允許值以內(nèi)，關(guān)鍵是其根部周邊的葉型設(shè)計(jì)方面：一方面，為了對(duì)脫流和邊界層的發(fā)展進(jìn)行控制，減少二次流帶來(lái)的損失，設(shè)計(jì)出增大葉片后緣周邊荷載的后加載葉型；另一方面是動(dòng)葉葉片根部設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，利用前置靜葉的側(cè)壁損失對(duì)入射角進(jìn)行預(yù)測(cè)存在一定的難度，所以采取把葉片前緣位置橢圓化，改變曲率半徑，以及改善入射角特點(diǎn)等對(duì)策。需要注意的是使用二維葉片紊流分析技術(shù)進(jìn)行葉型設(shè)計(jì)，使用以上設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)出沿葉高方向不同的基本截面的葉型，并利用積疊面形成葉片。

3 汽輪機(jī)低壓軸封性能的提升措施

對(duì)汽輪機(jī)低壓軸封性能進(jìn)行提升改造的主要目的是為了解決汽輪機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中高壓軸封漏氣，從而導(dǎo)致油中進(jìn)水以及環(huán)境污染的問(wèn)題，以此對(duì)前箱工作環(huán)境進(jìn)行改善，并且解決高、低壓軸封供汽不一致的情況，使得軸封供回汽系統(tǒng)具有一定的經(jīng)濟(jì)合理性。文章以某廠汽輪機(jī)為例對(duì)其改造方案進(jìn)行介紹，并提出對(duì)應(yīng)措施。由于原系統(tǒng)中高壓軸封漏汽室都是正壓，軸封供汽是正壓，因此軸封漏汽室蒸汽量上升，高壓軸封冒汽的現(xiàn)象加劇。同時(shí)軸封漏汽分管的管徑比較細(xì)，導(dǎo)致向外漏汽的情況，一些漏汽管徑比較細(xì)，導(dǎo)致流速變高，系統(tǒng)阻力比較大，漏汽排出變得異常困難。軸端蒸汽外冒導(dǎo)致油中進(jìn)水，運(yùn)行真空度降低，對(duì)機(jī)組的安全運(yùn)行產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。

3.1 系統(tǒng)管路改造

首先要分開(kāi)高、低壓軸封，也就是增設(shè)低壓軸封供汽調(diào)節(jié)設(shè)備，使二者分離，其中一套保留，向高壓前后及中壓前軸封供汽，軸封供汽調(diào)整設(shè)備可通過(guò)原軸封供汽設(shè)備；另外就是增設(shè)一套設(shè)備向低壓前后及中壓后軸封供汽，以此解決高低壓軸封供汽不協(xié)調(diào)的問(wèn)題。

3.2 加裝熱工測(cè)點(diǎn)

低壓軸封供汽和高壓軸封供汽分離，低壓軸封供汽的系統(tǒng)相對(duì)而言是獨(dú)立的，并且具備自適應(yīng)控制能力，配合相關(guān)信號(hào)參數(shù)，包括壓力、溫度、真空等，這其中離不開(kāi)傳感器的配置，通過(guò)傳感器信號(hào)引入到DCS系統(tǒng)中，或者是另外加裝PI調(diào)節(jié)器。

3.3 控制系統(tǒng)改造

控制系統(tǒng)改造后是單獨(dú)向高中壓軸封供汽，新增設(shè)的部分是由低壓軸封供汽，低壓軸封系統(tǒng)是利用回汽溫度和供汽溫度及環(huán)境溫度進(jìn)行比較，以此判斷供汽量的情況。在經(jīng)典PI閉環(huán)控制的前提下對(duì)設(shè)定值進(jìn)行實(shí)時(shí)修正，自動(dòng)調(diào)節(jié)低壓軸封供汽壓力，機(jī)組負(fù)荷變化中確保真孔穩(wěn)定，對(duì)軸封工作狀態(tài)進(jìn)行診斷。

4 結(jié)束語(yǔ)

總而言之，汽輪機(jī)及其性能的重要性不言而喻，汽輪機(jī)性能的提升一方面可以對(duì)燃料消耗量進(jìn)行控制，另一方面對(duì)減少二氧化碳等排放也有所幫助。所以，通過(guò)高溫、高壓蒸汽量參數(shù)在促進(jìn)熱效率提升的同時(shí)，利用各種技術(shù)促進(jìn)汽輪機(jī)性能的提升。

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