有關(guān)提升汽輪機(jī)性能的技術(shù)研究

李超

摘 要：文章首先對(duì)優(yōu)化反動(dòng)式葉片的開發(fā)進(jìn)行分析，分別講解開發(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)式葉片的開發(fā)

1.1 開發(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)中葉片長度不能太長，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，用反問題對(duì)葉片最大載荷及葉型進(jìn)行修正，確定候補(bǔ)長度，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)葉的開發(fā)

2.1 高載荷靜葉的開發(fā)

葉弦長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)行開發(fā)的過程中，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，這其中離不開傳感器的配置，通過傳感器信號(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

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。

參考文獻(xiàn)

[1]高建強(qiáng)，裴閃，吳迎光.單軸燃?xì)廨啓C(jī)模塊化仿真模型及其運(yùn)行特性研究[J].華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2006（5）.

[2]李輝，楊超，趙斌，等.風(fēng)電機(jī)組電動(dòng)變槳系統(tǒng)建模及運(yùn)行特性評(píng)估與測(cè)試[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2013（11）.

[3]張明理，徐建源，朱時(shí)雨.基于概率統(tǒng)計(jì)方法的東北地區(qū)風(fēng)電運(yùn)行特性研究[J].東北電力技術(shù)，2012（10）.