有關提升汽輪機性能的技術研究

郭小利

摘 要：本文主要通過對高載荷靜葉與動葉的開發(fā)、汽輪機低壓軸性能提升以及對反動式葉片進行優(yōu)化三方面進行分析與論述，探討提升汽輪機性能的有關技術方法，希望能對廣大同行有所助益。

關鍵詞：汽輪機；性能；提升；技術

一、高載荷靜葉與動葉的開發(fā)

（一）高載荷靜葉的開發(fā)

在葉弦長度條件相同的條件下，相較于一般靜葉而言，高載荷靜葉數(shù)量要少約14%，同時性能獲得了大大提升。因為葉片數(shù)量較少，所以可以有效減少葉片表面的摩擦，并且也能夠相應降低葉片后緣的尾流損失，提高汽輪機性能。通過總結發(fā)現(xiàn)，高負荷靜葉特點主要如下：第一，因為葉片頭部大頭化，因此在葉片上游側會需要承擔一定負荷，從而起到了均衡葉片整體負荷的效果。第二，通過紊流分析、葉片背面喉部下游位置曲率分布曲線等方式來將最優(yōu)的葉片類型與數(shù)量參數(shù)設計出來。第三，在圓化葉片頭部位置的過程中應當要全面考慮入射角的強度與特性。

（二）高載荷動葉的開發(fā)

與高載荷靜葉較為相似，高載荷動葉的葉片數(shù)量均是有所降低，加大了葉片的載荷。相較于一般動葉來說，高載荷動葉其葉片數(shù)量減少了15%左右。與高載荷靜葉一致之處在于，降低葉片數(shù)量的同時加大了葉片負荷。因此極易出現(xiàn)葉片負壓側的流動脫流現(xiàn)象，尤其是沖動式葉片，因為葉片根部周圍背弧曲率較大，因此具有較為明顯的傾向性。因此，在開發(fā)高負荷動葉過程中，要重點把控葉片強度，確保其范圍一直在允許的范圍當中。除此之外還需要重視其根部周圍葉型設計。第一，控制脫流與邊界層的發(fā)展，將二次流所造成的損失降低，設計出增大葉片后緣周邊荷載的后加載葉型。第二，做好動葉葉片根部的設計工作，運用前置靜葉的側壁損失來預測入射角具有較大難度，因此，可以采用設計葉片前緣位置為橢圓形狀，將曲率半徑改變，對入射角特點進行改善等方法來應對。值得一提是在設計葉型時采取二維葉片紊流分析技術，實際設計所得沿葉高方向不同的基本截面葉型，采取積疊面形成葉片。

二、汽輪機低壓軸性能提升探究

從我對有關文獻研究以及自己多年工作實踐來看，受到各種主客觀因素地影響，不少汽輪機運轉時會出現(xiàn)高壓與低壓軸二者供汽差異或者是軸封漏氣等問題。如果不及時處理這些問題不僅會造成汽輪機低壓軸進水的情況，同時也會導致其軸封供回氣系統(tǒng)運轉經(jīng)濟成本大大增加。有鑒于此，為了解決上述問題地出現(xiàn)我們應當采取以下措施來提升汽輪機低壓軸性能：第一，改造系統(tǒng)管路。針對汽輪機低壓軸系統(tǒng)管路改造上可以從下面著手：增加兩套低壓軸封上供汽調節(jié)設備，這樣一來將汽輪機高壓與低壓兩個軸封分離開來。其中一套設備安裝在高壓軸封上，而另外一套則在低壓軸封。之后由它們分別向各自地前后即中壓前軸封供汽，這樣一來有助于保證高壓與低壓兩個軸封供汽實現(xiàn)一致；第二，改造控制系統(tǒng)。通過對系統(tǒng)管路改造后，汽輪機高壓與低壓兩個軸封都實現(xiàn)了單獨供汽， 其中，經(jīng)過改造后控制系統(tǒng)是單獨向高中壓軸封供汽，而新增部分則是單獨向低壓軸封供汽。在低壓軸封系統(tǒng)中，主要是通過對比環(huán)境溫度、供汽溫度與回汽溫度來對供氣量及性能判斷。在典型的PI閉環(huán)控制情況下能夠及時調整設定值，并對低壓軸封供汽壓力進行自動調節(jié)，保證真孔能夠在機組負荷改變的情況下保持穩(wěn)定，且能夠準確診斷軸封工作狀態(tài)。第三，裝設熱工測點。高壓軸封供汽與低壓軸封供汽分離，相對來說低壓軸封供汽系統(tǒng)是獨立的，同時具有自適應控制能力，與真空、溫度以及壓力等有關信號參數(shù)相配合，通過傳感器信號引入DCS系統(tǒng)內，或是額外裝設PI調節(jié)器。

三、對反動式葉片進行優(yōu)化

要想有效提升汽輪機效率，并且能夠尋求到汽輪機結構的參數(shù)，如反動度、轉子直徑以及級數(shù)等的平衡，需要積極開發(fā)出一類與結構類型相適應的葉型，需要控制汽輪機高壓級中葉片長度，切勿過長。因為沿葉高方向的二次流領域與邊界層所占比例較大，因此，需要全面考慮流場特性的高性能葉片。根據(jù)旋轉動葉的周向速度與靜葉出口的絕對速度，蒸汽是根據(jù)特定速度進入動葉，所以此速度方向與動葉入口角存在較遠距離，且出現(xiàn)較大的葉型損失。不僅如此，還需要全面考慮其他因素的影響，因此要想設計動葉相對流入角具有較高精度難度較大。當前，在設計葉型時往往是采取基于實驗的強化設計法。

（一）強化設計法

第一，如若將葉柵視為一個系統(tǒng)，利用系統(tǒng)輸出與輸入間的關系，即運用原點直線，能夠有效選擇測量特點與信號因子。第二，控制因子與誤差因子。其中，誤差因子主要指的是會在一定程度上對設定功能產(chǎn)生負面影響的因子，經(jīng)過進一步研究采用流入角作為誤差因子，加上將其他因素考慮在內，最后選擇了30°、50°以及70°三類流入角。除此之外，，由于控制因此在很大程度上決定了葉型參數(shù)，所以在數(shù)值實驗過程中，可以利用計算機來選擇與損失特點與流入角特點相關的4項參數(shù)，如相對葉寬、節(jié)弦片、前緣曲率半徑、葉片轉向角。在強化設計過程中，需要注意損失特點與流入角特點應當要與靈敏度特點與特性相對應。第三，葉型設計。由于四個控制因子無法發(fā)揮出所有作用，且葉型形狀有所不足，要求能夠實現(xiàn)根據(jù)二維紊流來實施分析，通過有效結合葉型設計與損失評價反映，采取反問題來有效修正葉型與葉片最大載荷，將候補長度確定下來，葉片荷載分布修正范圍單單指的是最大荷載區(qū)域周邊。第四，靈敏度特點與SN比。根據(jù)上述情況實施二維穩(wěn)流分析，根據(jù)計算結果在相應條件下，靈敏度平均值與SN比的因果圖，以便于能夠研發(fā)出較小損失的葉片。第五，根據(jù)最優(yōu)條件研究。根據(jù)上述兩類情況，采取損失評價與二維紊流分析來實施對比，利用積疊沿著葉高的方進行截面，也就是形成一枚動葉。和普通的葉片進行比較，最佳葉片數(shù)量減少 1/3。

（二）開展二維葉柵風動試驗

為了更好地測算出葉片在運轉時所出現(xiàn)的能量損失系數(shù)，筆者建議企業(yè)需要開展二維葉柵風動試驗，這樣借助于其風洞中五孔探針位置進行測量。然后認真分析試驗中和類似廣泛圍氣流入角、損失特點平坦化等內容，之后再進一步分析它與一般葉片的差別。最后利用分析結果對反動式葉片進行優(yōu)化，以此降低運行時能量損耗。

（三）確認空氣透平級效率

要想保證汽輪機的級效率與規(guī)定要求相符，需要根據(jù)實際對比最佳葉片與普通葉片的結果來開展模型透平試驗。采用油熱電偶內置其中是悟空探針，沿級的出入口徑相發(fā)展，通過測量流角、溫度與壓力等有關參數(shù)。隨后開始測量流量孔板，探針測量與測功器的處理來將出級效率測量出來。

四、結束語

總得來說，汽輪機及其性能對于整體汽輪機的運作有著極為重要的影響，采取有效技術方法來提升汽輪機性能不但可以有效控制燃料的消耗量，而且還有利于降低二氧化碳的排放。因此，相關工作人員應當要采取有效的技術策略來提升汽輪機的性能。

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