汽輪機(jī)的蒸汽流測量技術(shù)

任國峰

（哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱150046）

1 引言

發(fā)電用大型汽輪機(jī)的流動特征是：其中所流經(jīng)的高溫高壓蒸汽在膨脹過程中實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。在火電汽輪機(jī)中，供給其高壓缸的是 10～31MPa、540℃～600℃的高溫高壓蒸汽，經(jīng)能量轉(zhuǎn)換變?yōu)?kPa、33℃左右的濕蒸汽，從低壓缸中排出。雷諾數(shù)從高壓部分的4×107變化到低壓部分的5×105，相差兩個(gè)等級。各級葉片出口的馬赫數(shù)在0.3～1.8之間變化。特別是最下游包括末級在內(nèi)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(jī)中低壓部分的最后2～3級，以及核電汽輪機(jī)高壓缸和低壓缸中的大部分級均按濕蒸汽輪機(jī)設(shè)計(jì)。一部分蒸汽在凝縮時(shí)會出現(xiàn)水滴，并在流過壁面時(shí)形成水膜。于是，動葉在高速回轉(zhuǎn)時(shí)，其頂部受到水滴的沖擊就出現(xiàn)浸蝕。同時(shí)，水滴的制動效應(yīng)也會降低汽輪機(jī)的效率。因此，正確地預(yù)測通流部分中濕蒸汽流各級的二相流狀態(tài)，并反饋到設(shè)計(jì)中去，這對高性能和高可靠性的汽輪機(jī)設(shè)計(jì)至關(guān)重要。另外，在末級葉動頂端的圓周速度超過了音速，在設(shè)計(jì)時(shí)必須相應(yīng)地提高壓力比，以形成最大馬赫數(shù)約為1.8的跨音速流。為此，在葉片設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮沖擊波的發(fā)生。

2 葉柵試驗(yàn)

對汽輪機(jī)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(fā)高性能葉片，需要進(jìn)行大量的2次元葉柵風(fēng)洞試驗(yàn)。另一方面，從1990年代后期開始，由于計(jì)算流體力學(xué)（CFD）的進(jìn)步和作為計(jì)算機(jī)硬件的CPU高速化和主存儲器容量的擴(kuò)大，使葉片形狀的優(yōu)化以及效率預(yù)測得以在短時(shí)間內(nèi)實(shí)施，從而出現(xiàn)了省略二次元葉柵風(fēng)洞試驗(yàn)的趨向。但是，在利用CFD進(jìn)行氣動損失模擬來確認(rèn)與實(shí)測值的一致性方面取得進(jìn)步的同時(shí)，如果要驗(yàn)證葉柵形狀與設(shè)計(jì)時(shí)發(fā)生較大變化的情況下，還是希望使用分析和風(fēng)洞試驗(yàn)并用的辦法。

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

瞬間測量式蒸汽風(fēng)洞，利用存貯在罐內(nèi)的過熱蒸汽或飽和蒸汽瞬間放出，進(jìn)行瞬間（約0.5s）測量。其優(yōu)點(diǎn)是不需要大型鍋爐，壓力管內(nèi)充油，以防止在測量時(shí)蒸汽凝縮。利用本風(fēng)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(nèi)部發(fā)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(xiàn)“山形”壓力變化。為了提高CFD的分析精度，這樣的測量數(shù)據(jù)起著重要的作用。

3 模型透平試驗(yàn)

開發(fā)出來的葉柵性能，需要通過由靜葉和動葉組成的級進(jìn)行驗(yàn)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(zhuǎn)中動葉流道及其上游靜葉流道內(nèi)部的跨音速流狀況。在葉柵的內(nèi)壁面處、靜動葉的間隙部位、動葉下游靠近回轉(zhuǎn)中心的位置上，都設(shè)置有反射鏡，致使幾乎整個(gè)靜動葉列區(qū)域內(nèi)的瞬間密度分布情況都實(shí)現(xiàn)可視化。用該裝置攝下的、在透平處于回轉(zhuǎn)狀態(tài)下的靜動葉的列內(nèi)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(cè)反射情況實(shí)現(xiàn)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(jìn)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(yàn)時(shí)，一般均利用多級模型汽輪機(jī)。

為了測量末級附近的濕蒸汽流，使用了水滴顆粒的光學(xué)測量法。用激光液滴計(jì)測量試驗(yàn)汽輪機(jī)低壓末級下游微小水滴時(shí)的情況，利用微小水滴的實(shí)測結(jié)果算出的濕度徑向分布曲線。在葉片80%高度到其頂部區(qū)域內(nèi)的壁面溫度急增。在測量作為濕蒸汽特性的溫度時(shí)必須獲知1μm以下的水滴粒徑及其密度。根據(jù)在出口壓力4kPa時(shí)的測量結(jié)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(shè)置了去濕結(jié)構(gòu)（去濕槽）。在去濕槽下游的配管和量箱均有絕熱保溫設(shè)施，以防蒸汽凝縮。此外，通過與內(nèi)窺鏡相聯(lián)的攝像機(jī)觀察水膜或水流入去濕槽的狀況，以確認(rèn)去濕槽的去濕效能。

通過風(fēng)洞試驗(yàn)或模型透平試驗(yàn)驗(yàn)證的新技術(shù)在應(yīng)用于實(shí)機(jī)時(shí)，借助于在實(shí)機(jī)的相關(guān)部位壁面上設(shè)置壓力/溫度傳感器，就可以進(jìn)行蒸汽流測量。

4 結(jié)語

通過風(fēng)洞試驗(yàn)或試驗(yàn)?zāi)Ｐ屯钙竭M(jìn)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(shù)據(jù)。利用這些數(shù)據(jù)，就可以在設(shè)計(jì)時(shí)提高汽輪機(jī)級的性能和可靠性。另一方面，根據(jù)蒸汽流的數(shù)值分析，可以在某種程度上包括濕蒸汽特性在內(nèi)的葉柵和級的液體特性進(jìn)行先期評價(jià)。但是，對模型透平以及實(shí)機(jī)進(jìn)行蒸汽流測量，是驗(yàn)證提高性能和可靠性的新技術(shù)，是不可缺少的過程，我們期待這方面的測量技術(shù)有進(jìn)一步的提高。