提高汽輪機性能及運行特性分析

【摘 要】汽輪機是能夠將蒸汽熱能轉化成機械功的外燃回轉式機械，它的主要運行功能就是對來自鍋爐的蒸汽進行處理，使之轉化成其他形式的能量。本文就應用于實機的各種提高性能的技術中，摘出與葉片開發有關的技術，尤以高？中壓缸為對象，對高載荷靜·動葉片的開發實例作一說明，最后詳細介紹了優化反動式葉片。

【關鍵詞】汽輪機；性能；技術

1.高載荷靜葉的開發

在相同葉弦長度條件下，高載荷靜葉的數量比以往靜葉少了約14%，且性能得到提高。由于減少了葉片數量，葉片表面的摩擦損失和產生于葉片后緣的尾流損失減少，使提高行性能得以實現。高負荷靜葉的特征是：（1）由于葉片頭部大頭化，因此葉片上游側也承擔負荷，均衡了葉片整體負荷；（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的設計方法，設計出最佳的葉片數量和葉型。另外，在葉片頭部的圓化時還考慮到了入射角特性和強度方面。

2.高載荷動葉的開發

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

因此在開發高負荷動葉時，條件是需將葉片強度控制在允許值以內，重點放在其根部附近的葉型設計上：（1）為了控制脫流和邊界層的發展，降低二次流損失，設計出增大葉片后緣附近負荷的后加載葉型；（2）在動葉葉片根部設計階段中，想通過前置靜葉的側壁損失預測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和規定喉部長度的反問題設計法，以及曲線進行葉型設計。使用這些設計手段，設計出沿葉高方向多個基本截面的葉型，并通過積疊面形成葉片。

3.優化反動式葉片的開發

3.1開發背景

為了進一步提高效率，謀求通過級數、轉子直徑、反動度等設計參數來優化汽輪機結構，并開發適用于此結構的優化葉型。另一方面，在汽輪機高壓級中，葉片長度相對較短，沿葉高方向的邊界層和二次流領域所占的比例變大，因此必需考慮到這些流場特性的高性能葉片。根據靜葉出口的絕對速度和旋轉動葉的周向速度，蒸汽將以相對速度流入動葉。由此可見，此相對速度方向離動葉幾何入口角越遠，葉型損失也交越大。另外，實際中必須考慮邊界層和二次流的影響，故想將動葉相對流入角設計成預想的高精度是困難的。如今，在葉型設計中綜合應用了基于實驗的強化設計法，反問題設計法和二維紊流分析技術，針對流入角的變化，開發出損失特性變化緩慢的圓頭動葉。

3.2強化設計的應用

3.2.1測量特性和信號因子

將葉柵視為系統，利用系統輸入與輸出的理想關系（通過原點的直線），選擇信號因子（輸入）和測量特性（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，進行此研究時，選定流入角作為誤差因子，考慮到下面敘述的設計葉型時的幾何入角，采用了現實的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，由于數值實驗時利用了計算機，從計算機環境和設計期間的觀點出發，采用選定與流入角特性和損失特性有密切關系的葉片轉向角、前緣曲率半徑、節弦比和最大葉片負荷部位這4個參數作為控制因子，分別設定了三種方案。在強化設計中，由流入角特性和損失特性對應于比特性和靈敏度特性。

3.2.3葉型設計

四個控制因子進行葉型設計時，僅用這些控制因子不能完全定義葉型形狀。因此需預先根據二維紊流分析，將損失評價反映到葉型設計中。再用反問題設計法移動葉片的最大載荷部位，對葉型進行修正。通過用這種反問題設計法進行修正，已足以確定喉部長度。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9種計算方案，進行二維紊流分析，根據此計算結果在三種情況下4個控制因子（A—D），對SN比和靈敏度平均值的因果圖。在此研究中，目標是不公將離散度變?。⊿N比變大），最終還要開發出損失小的葉片。

3.2.5根據最優條件的研究

按照上述兩種最佳條件進行葉型設計時，通過二維紊流分析和損失評價可決定葉型。通過積疊沿葉高方向的多個截面，即形成1枚動葉。同以往葉片相比，最佳葉片的數量減少了約33%。

3.3利用二維葉柵風洞進行性能確認試驗

通過二維葉柵風洞中，用5孔探針所進行的逐點測量，計算出能量損失系統數。從此結果中，相當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利用空氣透平進行級效率的確認試驗

為了確認汽輪機的級效率，針對以往葉片和最佳葉片，時行了模型透平試驗。用內置熱電偶的5孔探針，沿級的出入口徑向，對壓力、溫度和流角進行了逐點測量。然后根據流量孔扳的測量、測功器的出力和探針測量計算出級效率。以頂部的汽封結構也不一樣。與以往動葉片相比，效率提高了1.5%。經確認：由于動葉頂部反動度與密封結構的不同，考慮到漏流影響的話，葉片自身的效率可提高3%。此優化反動葉片已應用于實機。

4.結束語

針對汽輪機高、中壓級，開發出葉片數量削減了約15%的高載荷靜·動葉片，經模型透平試驗驗證：證明效率分別提高了0.35%和0.3%。另一方面，針對像高壓級葉片短的級，開發出考慮了流場特點的高性能優化反動式葉片。優化反動式葉片的損失低，且相當于廣范圍蒸汽流入角的損失特性平坦化，葉片數量與以往相比，減少了多達33%。根據模型透平試驗，與以往相比，葉片效率提高了1.5%高載荷靜？動葉片及優化反動式葉片已用于實機，今后提高汽輪機效率的技術也將得到更廣泛的應用。

【參考文獻】

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