核電汽輪機末級靜葉縫隙除濕的試驗研究

段森， 畢雪

（哈爾濱汽輪機廠有限責任公司，哈爾濱150046）

0 引言

在核電站中，除高溫氣冷堆外，所有核反應堆一般提供飽和蒸汽，如果允許這樣參數的蒸汽正常膨脹做功，排汽濕度將達到20%～24%。這樣大的濕度將大大加劇葉片的侵蝕和效率損失，從而影響電站的熱效率。

為降低濕度的影響，各汽輪機制造商采用外部除濕（汽水分離再熱器）和內部除濕兩種方式，本文僅討論內部除濕中的靜葉縫隙除濕結構，即在低壓末級隔板的靜葉上開設抽吸縫隙，利用汽輪機葉柵通道與凝汽器之間的壓差抽除靜葉表面上流動的水膜，使流出靜葉出口邊的水量減到最低限度，從而大大減少水膜撕裂及二次破裂形成的二次水滴，降低對動葉的侵蝕。

本文的目的，是借助試驗數據探討較好的末級靜葉除濕方案，通過選擇適當的抽吸壓差、縫隙寬度和位置，使除濕效率達到較好的效果。

1 靜葉除濕系統

目前基本上所有的汽輪機制造商都采用在靜葉上開設抽吸縫隙來抽出水分，此種方法在降低濕度和減小葉片侵蝕方面具有最大的優勢。在這種結構中，在靜葉內弧側和背弧側加工窄縫，通過靜葉空腔（或孔）抽吸到凝汽器中。影響這種除濕系統的參數是抽吸縫隙的尺寸、縫隙的位置和凝汽器與靜葉間的壓差。

在靜葉除濕系統中，靜葉上的抽吸縫隙設計最為重要，需要注意如下方面：

1）抽吸壓差。由于末級靜葉的結構位置和蒸汽參數限制，其抽吸壓力只能選擇末級靜葉出汽壓力或凝汽器壓力，而末級靜葉出汽壓力所能提供的抽吸壓差太小，其除濕效果非常小，因此最佳抽吸壓力應為凝汽器壓力。

2）抽吸縫隙的寬度。最小縫隙寬度受到制造條件、抽吸阻塞危險等限制，但是，也應避免太大的縫隙寬度，否則會引起葉片氣動效率的損失。

3）抽吸縫隙的位置。抽吸縫隙可以設置在沿葉片型面的任何位置，但是某些位置具有最好的除濕效果。另外，為了最大限度地除濕和減少蒸汽損失，應使縫隙向流動方向傾斜，這樣更有利于吸收水分，同時使流速均勻而無局部脫流現象。

2 空腔靜葉縫隙除濕性能實驗

為了掌握空腔靜葉縫隙的抽吸除濕性能及各參數的影響規律，進行如下的相關實驗。試驗葉片是根據某汽輪機的末級葉型進行模化設計和制造的，并在該葉片上開設有除濕縫隙，根據試驗的要求，制造了不同的縫隙位置和縫隙寬度的試驗葉片。

1）抽吸水量與抽吸壓差的關系。

圖1表示了某一實驗葉片在某氣流速度的條件下，單位長度縫隙的抽吸水量與抽吸壓差的關系曲線。可以看出，隨著縫隙抽吸壓差的增大，抽吸水量先呈現增大趨勢，但隨著壓差的繼續增大，抽吸水量沒有明顯變化。這表明，相同條件下，葉片表面上單位時間沉積的水量存在上限值，抽吸壓差太大并不能抽走更多的水，反而影響蒸汽做功效率。

圖1 抽吸水量與抽吸壓差的關系

2）抽吸水量與縫隙寬度的關系。

在葉片內弧的中間位置，加工了縫隙寬度分別為1 mm、2 mm、3 mm、4 mm的試驗葉片。圖2表示了相同縫隙位置的實驗葉片在某一氣流速度條件下，單位長度縫隙的抽吸水量與縫隙寬度的變化曲線。可以看出，抽吸水量隨著縫隙寬度的增大呈現降低趨勢，特別是增加到4 mm時，明顯下降。這表明，較窄的縫隙具有良好的抽吸能力，當縫隙足夠大時，可能由于縫隙處的抽吸速度降低，反而抽吸能力大幅降低。

3）縫隙抽吸水量與縫隙位置的關系。

圖2 抽吸水量與縫隙寬度的關系曲線

圖3 表示了在某一恒定抽吸壓差和氣流速度的條件下，單位長度的縫隙抽吸水量與縫隙軸向位置的關系曲線，其中，橫坐標是縫隙在葉片軸向的相對位置（葉片內弧相對位置用“+”表示，葉片背弧相對位置用“-”表示，絕對值越大代表縫隙位置越靠近出汽邊）。可以看出，a.在相同的抽吸壓差和相同的出口氣流速度下，葉片內弧上縫隙的抽吸水量比葉片背弧上縫隙的抽吸水量要大；b.在相同的抽吸壓差和相同的出口氣流速度下，內弧抽吸縫隙的位置越靠近葉片出汽邊，縫隙的抽吸水量越大。

圖3 抽吸水量與縫隙位置的關系曲線

3 結論

通過對某汽輪機末級靜葉柵的模化，并進行了實驗研究與分析，可以得到以下幾點結論：

1）在一定的抽吸壓差范圍內，空心靜葉縫隙的抽吸水量隨著抽吸壓差的增大而有所增大，合理的縫隙抽吸壓差為10～14 kPa，根據現有機組的運行情況，直接選擇凝汽器背壓作為抽吸壓力即可。

2）空心靜葉縫隙的抽吸水量并不是隨縫隙寬度的增大而簡單地增大。在本試驗條件下，隨著縫隙寬度的增大，除濕能力開始降低。因此，在滿足靜葉強度和剛度的前提下，結合現有的制造水平，縫隙寬度為1～3 mm是較為合理的；

3）在相同的抽吸壓差和葉柵出口氣流速度下，內弧上抽吸縫隙的位置越靠近葉片出口邊，縫隙的抽吸水量也越大。因此在考慮到葉片出汽邊厚度的前提下，盡量將內弧側的抽吸縫隙布置在靠近出汽邊側。