汽輪機(jī)除濕技術(shù)分析

李維秋

摘 要：目前，核動力艦用汽輪機(jī)、大功率汽輪機(jī)、地?zé)犭娬酒啓C(jī)、核電汽輪機(jī)的快速發(fā)展，汽輪機(jī)面臨濕蒸汽的問題越來越嚴(yán)重。濕蒸汽主要引起兩方面的問題，一方面提高動葉片的故障率；另一方面運(yùn)行效率的下降。文章介紹汽輪機(jī)內(nèi)部除濕技術(shù)的發(fā)展過程，討論常用的除濕技術(shù)，從而為汽輪機(jī)除濕設(shè)計提供一些有益思路。

關(guān)鍵詞：汽輪機(jī)；濕蒸汽；除濕技術(shù)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.15.015

1 汽輪機(jī)內(nèi)部濕蒸汽危害

在核電汽輪機(jī)的全部通流部分和石化燃料汽輪機(jī)的低壓部分，蒸汽會膨脹，膨脹到一定程度會凝結(jié)成核，形成了濕蒸汽。在汽輪機(jī)流通部分，進(jìn)一步流動膨脹，一方面部分水滴在輪機(jī)內(nèi)壁形成水膜，另一方面濕蒸汽中凝結(jié)核不斷變大。在核電汽輪機(jī)中，大部分透平都在濕蒸汽區(qū)域內(nèi)工作，會出現(xiàn)大量的侵蝕和腐蝕。在火電廠汽輪機(jī)中，濕蒸汽中的粗糙水滴會對部件從撞擊侵蝕。由于濕蒸汽導(dǎo)致的侵蝕主要有兩種：一種是動葉進(jìn)氣邊頂部的水蝕，另一種是靜葉出氣邊根部水蝕。汽輪機(jī)葉片受到侵蝕，會導(dǎo)致整個設(shè)備效率下降，嚴(yán)重侵蝕可能導(dǎo)致葉片斷裂，引發(fā)設(shè)備毀壞的嚴(yán)重事故。

從上世紀(jì)六十年代出，飽和蒸汽成核理論發(fā)展以來，國內(nèi)外積極做了很多濕蒸汽兩相流的理論和試驗研究。但是，目前為止?jié)裾羝麅上嗔鞯暮芏嗍虑檫€未得到認(rèn)識。與之相關(guān)的葉片水蝕破壞及流動效率提高等問題并未圓滿解決。

2 汽輪機(jī)濕蒸汽兩相流凝結(jié)及除濕結(jié)構(gòu)特點的介紹

蒸汽輪機(jī)中存在凝結(jié)的濕蒸汽兩相流動，本質(zhì)上是一種不平衡現(xiàn)象，不平衡現(xiàn)象會有兩方面顯現(xiàn)，一方面是過飽和膨脹產(chǎn)生的熱力不平衡；另一方面是高速氣流中央，帶有不同動力學(xué)特性的水滴產(chǎn)生的動力不平衡。

除濕范圍包括靜葉和動葉，為了達(dá)到除濕效果，需要充分利用葉片的幾何結(jié)構(gòu)。在靜葉方面，有四種除濕結(jié)構(gòu)：1）空心導(dǎo)葉尾緣開設(shè)吹掃縫，將較高壓蒸汽引進(jìn)導(dǎo)葉內(nèi)腔后，從尾緣吹掃縫噴出；2）通過導(dǎo)葉空腔將水膜抽吸出流動區(qū)域；3）一種是在動葉表面上銑出溝槽或者在動葉葉頂加上葉冠，另一種上述結(jié)構(gòu)在動葉片同時都有。4）通過向葉輪空腔內(nèi)引進(jìn)熱量，加熱殼體，使水膜層蒸發(fā)，不能形成二次大水滴。除此之外，還可以在動靜葉柵間加裝隔板裝置達(dá)到除濕的效果。

3 內(nèi)除濕技技術(shù)發(fā)展情況

自20世紀(jì)50年代以來，世界許多發(fā)達(dá)國家都在積極開展汽輪機(jī)內(nèi)部除濕的研究。應(yīng)用最早和最廣泛除濕方法是外緣分離法，在外緣開設(shè)除濕溝槽，利用機(jī)構(gòu)對汽流的扭轉(zhuǎn)和離心效應(yīng)，將水滴甩向外緣，經(jīng)過溝槽后進(jìn)入冷凝器中。根據(jù)除濕位置不同，汽輪機(jī)內(nèi)部除濕方法可以以下3種。

3.1 靜葉除濕技術(shù)

它是將靜葉之城空腔，通過抽吸、吹掃或者加熱的方法，將附在靜葉表面的液膜或尾緣的大滴液去掉，以改變蒸汽干度。按吹、吸機(jī)加熱的方式不同，靜葉除濕又可分以下幾種：

3.1.1 靜葉抽吸法

這種方法是空心導(dǎo)葉去濕的最早方法。對于不同的結(jié)構(gòu)及運(yùn)行條件，例如開槽大小、抽吸壓力流量、開槽位置等，去濕效果也不同。

3.1.2 靜葉加熱法

該結(jié)構(gòu)是將熱量引進(jìn)靜葉空腔，對內(nèi)壁加熱，把外表面水膜層蒸發(fā)掉，使尾緣不能形成二次大水滴。在實際應(yīng)用中，要考慮引入多少熱量，這種方法需要改變設(shè)備結(jié)構(gòu)，可能會因為熱量不足，導(dǎo)致除濕效果不足。

3.1.3 靜葉吹掃法

在靜葉尾緣加工出吹掃縫，將較高壓蒸汽引入導(dǎo)葉內(nèi)，然后從尾緣吹掃縫噴出。此方法將從尾緣脫落的大水滴變小，速度加快，減輕對動葉的沖蝕。此方法需要吹掃汽量和方向角需要合理匹配，以免影響主汽流。

3.1.4 加熱和吹掃綜合法

設(shè)計合理的吹掃縫結(jié)構(gòu)，將引入的高溫高壓的蒸汽噴出，既可以防止導(dǎo)葉出汽位置形成大水滴，又可以增加主流蒸汽干度，而且吹出熱蒸汽會在導(dǎo)葉表面形成保護(hù)層，保護(hù)免受水滴侵蝕。

3.2 動葉除濕技術(shù)

在動葉表面，進(jìn)汽一側(cè)的背部刻若干道小槽，用以收集和輸送葉片表面的水滴，減少水滴反彈；同時在動葉頂部做一個水份收集裝置，保證水份收集效果。

3.3 隔板除濕技術(shù)

采用隔板分離裝置，此裝置設(shè)在動、靜葉柵軸向間隙。利用蒸汽汽流，將水滴向外緣移動。

4 總結(jié)

除濕技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展和研究，一些方面已經(jīng)很成熟了。我國開始研究比較晚，而且相對比較落后，離實際應(yīng)用尚有一段距離。綜合應(yīng)用各方法研制除濕是機(jī)內(nèi)除濕的未來方向。