【摘 要】汽輪機(jī)是能夠?qū)⒄羝麩崮苻D(zhuǎn)化成機(jī)械功的外燃回轉(zhuǎn)式機(jī)械，它的主要運(yùn)行功能就是對(duì)來自鍋爐的蒸汽進(jìn)行處理，使之轉(zhuǎn)化成其他形式的能量。本文就應(yīng)用于實(shí)機(jī)的各種提高性能的技術(shù)中，摘出與葉片開發(fā)有關(guān)的技術(shù)，尤以高？中壓缸為對(duì)象，對(duì)高載荷靜·動(dòng)葉片的開發(fā)實(shí)例作一說明，最后詳細(xì)介紹了優(yōu)化反動(dòng)式葉片。

【關(guān)鍵詞】汽輪機(jī)；性能；技術(shù)

1.高載荷靜葉的開發(fā)

在相同葉弦長(zhǎng)度條件下，高載荷靜葉的數(shù)量比以往靜葉少了約14%，且性能得到提高。由于減少了葉片數(shù)量，葉片表面的摩擦損失和產(chǎn)生于葉片后緣的尾流損失減少，使提高行性能得以實(shí)現(xiàn)。高負(fù)荷靜葉的特征是：（1）由于葉片頭部大頭化，因此葉片上游側(cè)也承擔(dān)負(fù)荷，均衡了葉片整體負(fù)荷；（2）利用反映葉片背面喉部下游位置曲率分布的曲線和紊流分析等詳細(xì)的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)出最佳的葉片數(shù)量和葉型。另外，在葉片頭部的圓化時(shí)還考慮到了入射角特性和強(qiáng)度方面。

2.高載荷動(dòng)葉的開發(fā)

高載荷動(dòng)葉和高載荷靜葉一樣，也是削減了葉片數(shù)量、增大了每枚葉片的載荷。高載荷動(dòng)葉的開發(fā)目標(biāo)是：與以動(dòng)葉相比，降低約15%的葉片數(shù)量。與高載荷靜葉一樣，葉片數(shù)量減少，葉片負(fù)荷增大，因此葉片負(fù)壓側(cè)的流動(dòng)就易于脫流。尤其是沖動(dòng)式葉片，由于葉片根部附近的背弧曲率大，此傾向很明顯。

因此在開發(fā)高負(fù)荷動(dòng)葉時(shí)，條件是需將葉片強(qiáng)度控制在允許值以內(nèi)，重點(diǎn)放在其根部附近的葉型設(shè)計(jì)上：（1）為了控制脫流和邊界層的發(fā)展，降低二次流損失，設(shè)計(jì)出增大葉片后緣附近負(fù)荷的后加載葉型；（2）在動(dòng)葉葉片根部設(shè)計(jì)階段中，想通過前置靜葉的側(cè)壁損失預(yù)測(cè)正確的入射角是很困難的，因此采取了將葉片前緣部位橢圓化，增大曲率半徑和改善入射角特性等措施。特別是，使用了二維葉片紊流分析技術(shù)和規(guī)定喉部長(zhǎng)度的反問題設(shè)計(jì)法，以及曲線進(jìn)行葉型設(shè)計(jì)。使用這些設(shè)計(jì)手段，設(shè)計(jì)出沿葉高方向多個(gè)基本截面的葉型，并通過積疊面形成葉片。

3.優(yōu)化反動(dòng)式葉片的開發(fā)

3.1開發(fā)背景

為了進(jìn)一步提高效率，謀求通過級(jí)數(shù)、轉(zhuǎn)子直徑、反動(dòng)度等設(shè)計(jì)參數(shù)來優(yōu)化汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)，并開發(fā)適用于此結(jié)構(gòu)的優(yōu)化葉型。另一方面，在汽輪機(jī)高壓級(jí)中，葉片長(zhǎng)度相對(duì)較短，沿葉高方向的邊界層和二次流領(lǐng)域所占的比例變大，因此必需考慮到這些流場(chǎng)特性的高性能葉片。根據(jù)靜葉出口的絕對(duì)速度和旋轉(zhuǎn)動(dòng)葉的周向速度，蒸汽將以相對(duì)速度流入動(dòng)葉。由此可見，此相對(duì)速度方向離動(dòng)葉幾何入口角越遠(yuǎn)，葉型損失也交越大。另外，實(shí)際中必須考慮邊界層和二次流的影響，故想將動(dòng)葉相對(duì)流入角設(shè)計(jì)成預(yù)想的高精度是困難的。如今，在葉型設(shè)計(jì)中綜合應(yīng)用了基于實(shí)驗(yàn)的強(qiáng)化設(shè)計(jì)法，反問題設(shè)計(jì)法和二維紊流分析技術(shù)，針對(duì)流入角的變化，開發(fā)出損失特性變化緩慢的圓頭動(dòng)葉。

3.2強(qiáng)化設(shè)計(jì)的應(yīng)用

3.2.1測(cè)量特性和信號(hào)因子

將葉柵視為系統(tǒng)，利用系統(tǒng)輸入與輸出的理想關(guān)系（通過原點(diǎn)的直線），選擇信號(hào)因子（輸入）和測(cè)量特性（輸出）。

3.2.2誤差因子和控制因子

誤差因子是可能阻礙理想功能的因子，進(jìn)行此研究時(shí)，選定流入角作為誤差因子，考慮到下面敘述的設(shè)計(jì)葉型時(shí)的幾何入角，采用了現(xiàn)實(shí)的3種流入角（30°，50°，70°）。另一方面，在此研究中，控制因子是決定葉型的參數(shù)，由于數(shù)值實(shí)驗(yàn)時(shí)利用了計(jì)算機(jī)，從計(jì)算機(jī)環(huán)境和設(shè)計(jì)期間的觀點(diǎn)出發(fā)，采用選定與流入角特性和損失特性有密切關(guān)系的葉片轉(zhuǎn)向角、前緣曲率半徑、節(jié)弦比和最大葉片負(fù)荷部位這4個(gè)參數(shù)作為控制因子，分別設(shè)定了三種方案。在強(qiáng)化設(shè)計(jì)中，由流入角特性和損失特性對(duì)應(yīng)于比特性和靈敏度特性。

3.2.3葉型設(shè)計(jì)

四個(gè)控制因子進(jìn)行葉型設(shè)計(jì)時(shí)，僅用這些控制因子不能完全定義葉型形狀。因此需預(yù)先根據(jù)二維紊流分析，將損失評(píng)價(jià)反映到葉型設(shè)計(jì)中。再用反問題設(shè)計(jì)法移動(dòng)葉片的最大載荷部位，對(duì)葉型進(jìn)行修正。通過用這種反問題設(shè)計(jì)法進(jìn)行修正，已足以確定喉部長(zhǎng)度。葉片載荷分布的修正范圍僅限最大載荷部位附近。

3.2.4 SN比和靈敏度特性

針對(duì)9種計(jì)算方案，進(jìn)行二維紊流分析，根據(jù)此計(jì)算結(jié)果在三種情況下4個(gè)控制因子（A—D），對(duì)SN比和靈敏度平均值的因果圖。在此研究中，目標(biāo)是不公將離散度變?。⊿N比變大），最終還要開發(fā)出損失小的葉片。

3.2.5根據(jù)最優(yōu)條件的研究

按照上述兩種最佳條件進(jìn)行葉型設(shè)計(jì)時(shí)，通過二維紊流分析和損失評(píng)價(jià)可決定葉型。通過積疊沿葉高方向的多個(gè)截面，即形成1枚動(dòng)葉。同以往葉片相比，最佳葉片的數(shù)量減少了約33%。

3.3利用二維葉柵風(fēng)洞進(jìn)行性能確認(rèn)試驗(yàn)

通過二維葉柵風(fēng)洞中，用5孔探針?biāo)M(jìn)行的逐點(diǎn)測(cè)量，計(jì)算出能量損失系統(tǒng)數(shù)。從此結(jié)果中，相當(dāng)于廣泛范圍汽流入角，損失特性平坦化，而與以往葉片相比，損失自身也大幅降低。

3.4利用空氣透平進(jìn)行級(jí)效率的確認(rèn)試驗(yàn)

為了確認(rèn)汽輪機(jī)的級(jí)效率，針對(duì)以往葉片和最佳葉片，時(shí)行了模型透平試驗(yàn)。用內(nèi)置熱電偶的5孔探針，沿級(jí)的出入口徑向，對(duì)壓力、溫度和流角進(jìn)行了逐點(diǎn)測(cè)量。然后根據(jù)流量孔扳的測(cè)量、測(cè)功器的出力和探針測(cè)量計(jì)算出級(jí)效率。以頂部的汽封結(jié)構(gòu)也不一樣。與以往動(dòng)葉片相比，效率提高了1.5%。經(jīng)確認(rèn)：由于動(dòng)葉頂部反動(dòng)度與密封結(jié)構(gòu)的不同，考慮到漏流影響的話，葉片自身的效率可提高3%。此優(yōu)化反動(dòng)葉片已應(yīng)用于實(shí)機(jī)。

4.結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)汽輪機(jī)高、中壓級(jí)，開發(fā)出葉片數(shù)量削減了約15%的高載荷靜·動(dòng)葉片，經(jīng)模型透平試驗(yàn)驗(yàn)證：證明效率分別提高了0.35%和0.3%。另一方面，針對(duì)像高壓級(jí)葉片短的級(jí)，開發(fā)出考慮了流場(chǎng)特點(diǎn)的高性能優(yōu)化反動(dòng)式葉片。優(yōu)化反動(dòng)式葉片的損失低，且相當(dāng)于廣范圍蒸汽流入角的損失特性平坦化，葉片數(shù)量與以往相比，減少了多達(dá)33%。根據(jù)模型透平試驗(yàn)，與以往相比，葉片效率提高了1.5%高載荷靜？動(dòng)葉片及優(yōu)化反動(dòng)式葉片已用于實(shí)機(jī)，今后提高汽輪機(jī)效率的技術(shù)也將得到更廣泛的應(yīng)用。

【參考文獻(xiàn)】

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