李超

摘 要：文章首先對優(yōu)化反動式葉片的開發(fā)進行分析，分別講解開發(fā)背景、強化設計應用、二維葉柵風動試驗、空氣透平級效率確認，對高載荷靜葉、低載荷動葉的開發(fā)進行研究，對汽輪機低壓軸封性能的提升措施進行探討。

關鍵詞：汽輪機；性能；葉片

1 優(yōu)化反動式葉片的開發(fā)

1.1 開發(fā)背景

為促進汽輪機效率提升以及在級數(shù)、轉子直徑、反動度等方面尋求汽輪機結構的參數(shù)平衡，研發(fā)出適合結構類型的優(yōu)化葉型，一是要在汽輪機高壓級中葉片長度不能太長，沿葉高方向的邊界層及二次流領域占比比較大，所以要對流場特性的高性能葉片進行充分考慮。

按照靜葉出口的絕對速度及旋轉動葉的周向速度，蒸汽是以一定的速度進入到動葉的，因此這個速度方向和動葉入口角的距離比較遠，葉型的損失非常大，除此之外還要對其他因素的影響進行綜合考慮，所以動葉相對流入角設計得精度變高是有一定難度的。現(xiàn)階段，葉型設計方面采用基于實驗的強化設計法。

1.2 強化設計應用

（1）如果把葉柵當做是一個系統(tǒng)，通過系統(tǒng)輸入和輸出之間的關系，也即是利用原點直線，可以對信號因子和測量特點進行選擇。（2）誤差因子和控制因子，其中誤差因子是指對于設定的功能會造成一定負面影響的因子，深入研究選擇流入角當做是誤差因子，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于葉型參數(shù)起決定性作用，數(shù)值實驗時通過計算機，選擇和流入角特點以及損失特點有關的四個參數(shù)，分別是葉片轉向角、前緣曲率半徑、節(jié)弦片、相對葉寬。強化設計方面流入角特點和損失特點對應于特性和靈敏度特點。（3）葉型設計：四個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行分析，損失評價反映和葉型設計相互結合，用反問題對葉片最大載荷及葉型進行修正，確定候補長度，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：針對以上情況，進行二維紊流分析，按照計算結果在不同情況下，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價對葉型進行比較，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。

1.3 二維葉柵風動試驗

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

1.4 空氣透平級效率確認

為了確保汽輪機的級效率符合要求，針對普通葉片和最佳葉片的比較情況，進行模型透平試驗。利用內置熱電偶的五孔探針，沿級的出入口徑向發(fā)展，對于相關參數(shù)進行測量，包括壓力、溫度以及流角等。然后對流量孔扳進行測量，測功器的出力以及探針測量計算出級效率。而且以頂部的汽封結構也存在一定區(qū)別，和普通葉片對比分析，效率提升起碼1.5%。因此，可以得出動葉頂部反動度和密封結構是有差別的，如果對漏流影響進行綜合考慮，葉片本身效率能夠提升至103%，這種方式對反動葉片的優(yōu)化已經在實機中得以應用。

2 高載荷靜葉與動葉的開發(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，同時在葉片后緣的尾流損失也相應減少，使得汽輪機性能得以提升。文章對高負荷靜葉的特點進行總結：首先，由于葉片頭部大頭化，所以葉片上游側同時也承擔一定程度的負荷，對于葉片整體負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)設計出最佳的葉片數(shù)量和葉型；最后，對葉片頭部位置進行圓化時還需要對入射角特性及強度進行綜合考慮。

2.2 高載荷動葉的開發(fā)

高載荷動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。高載荷動葉的開發(fā)目標是和普通的動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)量減少的同時葉片負荷增大，所以葉片負壓側的流動容易產生脫流的情況，特別是沖動式葉片，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。所以在對高負荷動葉進行開發(fā)的過程中，對于條件的把控是對葉片強度進行控制，控制范圍始終處于允許值以內，關鍵是其根部周邊的葉型設計方面：一方面，為了對脫流和邊界層的發(fā)展進行控制，減少二次流帶來的損失，設計出增大葉片后緣周邊荷載的后加載葉型；另一方面是動葉葉片根部設計環(huán)節(jié)，利用前置靜葉的側壁損失對入射角進行預測存在一定的難度，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等對策。需要注意的是使用二維葉片紊流分析技術進行葉型設計，使用以上設計方法，設計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 汽輪機低壓軸封性能的提升措施

對汽輪機低壓軸封性能進行提升改造的主要目的是為了解決汽輪機在運行過程中高壓軸封漏氣，從而導致油中進水以及環(huán)境污染的問題，以此對前箱工作環(huán)境進行改善，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)具有一定的經濟合理性。文章以某廠汽輪機為例對其改造方案進行介紹，并提出對應措施。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。同時軸封漏汽分管的管徑比較細，導致向外漏汽的情況，一些漏汽管徑比較細，導致流速變高，系統(tǒng)阻力比較大，漏汽排出變得異常困難。軸端蒸汽外冒導致油中進水，運行真空度降低，對機組的安全運行產生嚴重的影響。

3.1 系統(tǒng)管路改造

首先要分開高、低壓軸封，也就是增設低壓軸封供汽調節(jié)設備，使二者分離，其中一套保留，向高壓前后及中壓前軸封供汽，軸封供汽調整設備可通過原軸封供汽設備；另外就是增設一套設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)調的問題。

3.2 加裝熱工測點

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)相對而言是獨立的，并且具備自適應控制能力，配合相關信號參數(shù)，包括壓力、溫度、真空等，這其中離不開傳感器的配置，通過傳感器信號引入到DCS系統(tǒng)中，或者是另外加裝PI調節(jié)器。

3.3 控制系統(tǒng)改造

控制系統(tǒng)改造后是單獨向高中壓軸封供汽，新增設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)境溫度進行比較，以此判斷供汽量的情況。在經典PI閉環(huán)控制的前提下對設定值進行實時修正，自動調節(jié)低壓軸封供汽壓力，機組負荷變化中確保真孔穩(wěn)定，對軸封工作狀態(tài)進行診斷。

4 結束語

總而言之，汽輪機及其性能的重要性不言而喻，汽輪機性能的提升一方面可以對燃料消耗量進行控制，另一方面對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)在促進熱效率提升的同時，利用各種技術促進汽輪機性能的提升。

參考文獻

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