汽輪機的蒸汽流測量技術

任國峰

（哈爾濱汽輪機廠有限責任公司，哈爾濱150046）

1 引言

發電用大型汽輪機的流動特征是：其中所流經的高溫高壓蒸汽在膨脹過程中實現能量轉換。在火電汽輪機中，供給其高壓缸的是 10～31MPa、540℃～600℃的高溫高壓蒸汽，經能量轉換變為5kPa、33℃左右的濕蒸汽，從低壓缸中排出。雷諾數從高壓部分的4×107變化到低壓部分的5×105，相差兩個等級。各級葉片出口的馬赫數在0.3～1.8之間變化。特別是最下游包括末級在內的幾級中均為蒸汽中含水滴的氣液二相流（濕蒸汽流）。

通常，火電汽輪機中低壓部分的最后2～3級，以及核電汽輪機高壓缸和低壓缸中的大部分級均按濕蒸汽輪機設計。一部分蒸汽在凝縮時會出現水滴，并在流過壁面時形成水膜。于是，動葉在高速回轉時，其頂部受到水滴的沖擊就出現浸蝕。同時，水滴的制動效應也會降低汽輪機的效率。因此，正確地預測通流部分中濕蒸汽流各級的二相流狀態，并反饋到設計中去，這對高性能和高可靠性的汽輪機設計至關重要。另外，在末級葉動頂端的圓周速度超過了音速，在設計時必須相應地提高壓力比，以形成最大馬赫數約為1.8的跨音速流。為此，在葉片設計時，必須考慮沖擊波的發生。

2 葉柵試驗

對汽輪機的能量變換效率影響最大的元件是靜葉（噴嘴）和動葉，因此，要開發高性能葉片，需要進行大量的2次元葉柵風洞試驗。另一方面，從1990年代后期開始，由于計算流體力學（CFD）的進步和作為計算機硬件的CPU高速化和主存儲器容量的擴大，使葉片形狀的優化以及效率預測得以在短時間內實施，從而出現了省略二次元葉柵風洞試驗的趨向。但是，在利用CFD進行氣動損失模擬來確認與實測值的一致性方面取得進步的同時，如果要驗證葉柵形狀與設計時發生較大變化的情況下，還是希望使用分析和風洞試驗并用的辦法。

蒸汽風洞利用由鍋爐供給的過熱蒸汽作為工質，并在試驗葉柵測量部位的下游設置有一個冷凝器，來凝縮蒸汽并維持真空。

瞬間測量式蒸汽風洞，利用存貯在罐內的過熱蒸汽或飽和蒸汽瞬間放出，進行瞬間（約0.5s）測量。其優點是不需要大型鍋爐，壓力管內充油，以防止在測量時蒸汽凝縮。利用本風洞測得的動葉表面壓力分布情況，這是在入口處為干蒸汽，內部發生非平衡凝縮的條件下測得的。從葉片前緣到軸向60%弦長附近凝縮沖擊波出現“山形”壓力變化。為了提高CFD的分析精度，這樣的測量數據起著重要的作用。

3 模型透平試驗

開發出來的葉柵性能，需要通過由靜葉和動葉組成的級進行驗證，因此使用了各式各樣的模型透平。

單級模型透平以反射式紋影可視法示出了回轉中動葉流道及其上游靜葉流道內部的跨音速流狀況。在葉柵的內壁面處、靜動葉的間隙部位、動葉下游靠近回轉中心的位置上，都設置有反射鏡，致使幾乎整個靜動葉列區域內的瞬間密度分布情況都實現可視化。用該裝置攝下的、在透平處于回轉狀態下的靜動葉的列內的跨音速流的紋影照片，使離開靜葉后緣的沖擊波在動葉流道背弧側反射情況實現了可視化，從而為降低靜動葉流之間的相互干涉損失提供了有效的信息。

在進行氣動性能或濕蒸汽特性的測量和可信度更高的綜合性試驗時，一般均利用多級模型汽輪機。

為了測量末級附近的濕蒸汽流，使用了水滴顆粒的光學測量法。用激光液滴計測量試驗汽輪機低壓末級下游微小水滴時的情況，利用微小水滴的實測結果算出的濕度徑向分布曲線。在葉片80%高度到其頂部區域內的壁面溫度急增。在測量作為濕蒸汽特性的溫度時必須獲知1μm以下的水滴粒徑及其密度。根據在出口壓力4kPa時的測量結果，在濕蒸汽級中，凝縮水分的一部分引起的動葉浸蝕和水滴沖擊損失，在靜葉表面設置了去濕結構（去濕槽）。在去濕槽下游的配管和量箱均有絕熱保溫設施，以防蒸汽凝縮。此外，通過與內窺鏡相聯的攝像機觀察水膜或水流入去濕槽的狀況，以確認去濕槽的去濕效能。

通過風洞試驗或模型透平試驗驗證的新技術在應用于實機時，借助于在實機的相關部位壁面上設置壓力/溫度傳感器，就可以進行蒸汽流測量。

4 結語

通過風洞試驗或試驗模型透平進行蒸汽流的測量，可以獲到葉柵或級的性能特性、級的速度矢量、流量、損失以及濕蒸汽級中的溫度分布、水滴直徑、水滴密度分布等數據。利用這些數據，就可以在設計時提高汽輪機級的性能和可靠性。另一方面，根據蒸汽流的數值分析，可以在某種程度上包括濕蒸汽特性在內的葉柵和級的液體特性進行先期評價。但是，對模型透平以及實機進行蒸汽流測量，是驗證提高性能和可靠性的新技術，是不可缺少的過程，我們期待這方面的測量技術有進一步的提高。