有關(guān)提升汽輪機(jī)性能的技術(shù)研究

郭小利

摘 要：本文主要通過對高載荷靜葉與動葉的開發(fā)、汽輪機(jī)低壓軸性能提升以及對反動式葉片進(jìn)行優(yōu)化三方面進(jìn)行分析與論述，探討提升汽輪機(jī)性能的有關(guān)技術(shù)方法，希望能對廣大同行有所助益。

關(guān)鍵詞：汽輪機(jī)；性能；提升；技術(shù)

一、高載荷靜葉與動葉的開發(fā)

（一）高載荷靜葉的開發(fā)

在葉弦長度條件相同的條件下，相較于一般靜葉而言，高載荷靜葉數(shù)量要少約14%，同時性能獲得了大大提升。因?yàn)槿~片數(shù)量較少，所以可以有效減少葉片表面的摩擦，并且也能夠相應(yīng)降低葉片后緣的尾流損失，提高汽輪機(jī)性能。通過總結(jié)發(fā)現(xiàn)，高負(fù)荷靜葉特點(diǎn)主要如下：第一，因?yàn)槿~片頭部大頭化，因此在葉片上游側(cè)會需要承擔(dān)一定負(fù)荷，從而起到了均衡葉片整體負(fù)荷的效果。第二，通過紊流分析、葉片背面喉部下游位置曲率分布曲線等方式來將最優(yōu)的葉片類型與數(shù)量參數(shù)設(shè)計(jì)出來。第三，在圓化葉片頭部位置的過程中應(yīng)當(dāng)要全面考慮入射角的強(qiáng)度與特性。

（二）高載荷動葉的開發(fā)

與高載荷靜葉較為相似，高載荷動葉的葉片數(shù)量均是有所降低，加大了葉片的載荷。相較于一般動葉來說，高載荷動葉其葉片數(shù)量減少了15%左右。與高載荷靜葉一致之處在于，降低葉片數(shù)量的同時加大了葉片負(fù)荷。因此極易出現(xiàn)葉片負(fù)壓側(cè)的流動脫流現(xiàn)象，尤其是沖動式葉片，因?yàn)槿~片根部周圍背弧曲率較大，因此具有較為明顯的傾向性。因此，在開發(fā)高負(fù)荷動葉過程中，要重點(diǎn)把控葉片強(qiáng)度，確保其范圍一直在允許的范圍當(dāng)中。除此之外還需要重視其根部周圍葉型設(shè)計(jì)。第一，控制脫流與邊界層的發(fā)展，將二次流所造成的損失降低，設(shè)計(jì)出增大葉片后緣周邊荷載的后加載葉型。第二，做好動葉葉片根部的設(shè)計(jì)工作，運(yùn)用前置靜葉的側(cè)壁損失來預(yù)測入射角具有較大難度，因此，可以采用設(shè)計(jì)葉片前緣位置為橢圓形狀，將曲率半徑改變，對入射角特點(diǎn)進(jìn)行改善等方法來應(yīng)對。值得一提是在設(shè)計(jì)葉型時采取二維葉片紊流分析技術(shù)，實(shí)際設(shè)計(jì)所得沿葉高方向不同的基本截面葉型，采取積疊面形成葉片。

二、汽輪機(jī)低壓軸性能提升探究

從我對有關(guān)文獻(xiàn)研究以及自己多年工作實(shí)踐來看，受到各種主客觀因素地影響，不少汽輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時會出現(xiàn)高壓與低壓軸二者供汽差異或者是軸封漏氣等問題。如果不及時處理這些問題不僅會造成汽輪機(jī)低壓軸進(jìn)水的情況，同時也會導(dǎo)致其軸封供回氣系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)經(jīng)濟(jì)成本大大增加。有鑒于此，為了解決上述問題地出現(xiàn)我們應(yīng)當(dāng)采取以下措施來提升汽輪機(jī)低壓軸性能：第一，改造系統(tǒng)管路。針對汽輪機(jī)低壓軸系統(tǒng)管路改造上可以從下面著手：增加兩套低壓軸封上供汽調(diào)節(jié)設(shè)備，這樣一來將汽輪機(jī)高壓與低壓兩個軸封分離開來。其中一套設(shè)備安裝在高壓軸封上，而另外一套則在低壓軸封。之后由它們分別向各自地前后即中壓前軸封供汽，這樣一來有助于保證高壓與低壓兩個軸封供汽實(shí)現(xiàn)一致；第二，改造控制系統(tǒng)。通過對系統(tǒng)管路改造后，汽輪機(jī)高壓與低壓兩個軸封都實(shí)現(xiàn)了單獨(dú)供汽， 其中，經(jīng)過改造后控制系統(tǒng)是單獨(dú)向高中壓軸封供汽，而新增部分則是單獨(dú)向低壓軸封供汽。在低壓軸封系統(tǒng)中，主要是通過對比環(huán)境溫度、供汽溫度與回汽溫度來對供氣量及性能判斷。在典型的PI閉環(huán)控制情況下能夠及時調(diào)整設(shè)定值，并對低壓軸封供汽壓力進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，保證真孔能夠在機(jī)組負(fù)荷改變的情況下保持穩(wěn)定，且能夠準(zhǔn)確診斷軸封工作狀態(tài)。第三，裝設(shè)熱工測點(diǎn)。高壓軸封供汽與低壓軸封供汽分離，相對來說低壓軸封供汽系統(tǒng)是獨(dú)立的，同時具有自適應(yīng)控制能力，與真空、溫度以及壓力等有關(guān)信號參數(shù)相配合，通過傳感器信號引入DCS系統(tǒng)內(nèi)，或是額外裝設(shè)PI調(diào)節(jié)器。

三、對反動式葉片進(jìn)行優(yōu)化

要想有效提升汽輪機(jī)效率，并且能夠?qū)で蟮狡啓C(jī)結(jié)構(gòu)的參數(shù)，如反動度、轉(zhuǎn)子直徑以及級數(shù)等的平衡，需要積極開發(fā)出一類與結(jié)構(gòu)類型相適應(yīng)的葉型，需要控制汽輪機(jī)高壓級中葉片長度，切勿過長。因?yàn)檠厝~高方向的二次流領(lǐng)域與邊界層所占比例較大，因此，需要全面考慮流場特性的高性能葉片。根據(jù)旋轉(zhuǎn)動葉的周向速度與靜葉出口的絕對速度，蒸汽是根據(jù)特定速度進(jìn)入動葉，所以此速度方向與動葉入口角存在較遠(yuǎn)距離，且出現(xiàn)較大的葉型損失。不僅如此，還需要全面考慮其他因素的影響，因此要想設(shè)計(jì)動葉相對流入角具有較高精度難度較大。當(dāng)前，在設(shè)計(jì)葉型時往往是采取基于實(shí)驗(yàn)的強(qiáng)化設(shè)計(jì)法。

（一）強(qiáng)化設(shè)計(jì)法

第一，如若將葉柵視為一個系統(tǒng)，利用系統(tǒng)輸出與輸入間的關(guān)系，即運(yùn)用原點(diǎn)直線，能夠有效選擇測量特點(diǎn)與信號因子。第二，控制因子與誤差因子。其中，誤差因子主要指的是會在一定程度上對設(shè)定功能產(chǎn)生負(fù)面影響的因子，經(jīng)過進(jìn)一步研究采用流入角作為誤差因子，加上將其他因素考慮在內(nèi)，最后選擇了30°、50°以及70°三類流入角。除此之外，，由于控制因此在很大程度上決定了葉型參數(shù)，所以在數(shù)值實(shí)驗(yàn)過程中，可以利用計(jì)算機(jī)來選擇與損失特點(diǎn)與流入角特點(diǎn)相關(guān)的4項(xiàng)參數(shù)，如相對葉寬、節(jié)弦片、前緣曲率半徑、葉片轉(zhuǎn)向角。在強(qiáng)化設(shè)計(jì)過程中，需要注意損失特點(diǎn)與流入角特點(diǎn)應(yīng)當(dāng)要與靈敏度特點(diǎn)與特性相對應(yīng)。第三，葉型設(shè)計(jì)。由于四個控制因子無法發(fā)揮出所有作用，且葉型形狀有所不足，要求能夠?qū)崿F(xiàn)根據(jù)二維紊流來實(shí)施分析，通過有效結(jié)合葉型設(shè)計(jì)與損失評價反映，采取反問題來有效修正葉型與葉片最大載荷，將候補(bǔ)長度確定下來，葉片荷載分布修正范圍單單指的是最大荷載區(qū)域周邊。第四，靈敏度特點(diǎn)與SN比。根據(jù)上述情況實(shí)施二維穩(wěn)流分析，根據(jù)計(jì)算結(jié)果在相應(yīng)條件下，靈敏度平均值與SN比的因果圖，以便于能夠研發(fā)出較小損失的葉片。第五，根據(jù)最優(yōu)條件研究。根據(jù)上述兩類情況，采取損失評價與二維紊流分析來實(shí)施對比，利用積疊沿著葉高的方進(jìn)行截面，也就是形成一枚動葉。和普通的葉片進(jìn)行比較，最佳葉片數(shù)量減少 1/3。

（二）開展二維葉柵風(fēng)動試驗(yàn)

為了更好地測算出葉片在運(yùn)轉(zhuǎn)時所出現(xiàn)的能量損失系數(shù)，筆者建議企業(yè)需要開展二維葉柵風(fēng)動試驗(yàn)，這樣借助于其風(fēng)洞中五孔探針位置進(jìn)行測量。然后認(rèn)真分析試驗(yàn)中和類似廣泛圍氣流入角、損失特點(diǎn)平坦化等內(nèi)容，之后再進(jìn)一步分析它與一般葉片的差別。最后利用分析結(jié)果對反動式葉片進(jìn)行優(yōu)化，以此降低運(yùn)行時能量損耗。

（三）確認(rèn)空氣透平級效率

要想保證汽輪機(jī)的級效率與規(guī)定要求相符，需要根據(jù)實(shí)際對比最佳葉片與普通葉片的結(jié)果來開展模型透平試驗(yàn)。采用油熱電偶內(nèi)置其中是悟空探針，沿級的出入口徑相發(fā)展，通過測量流角、溫度與壓力等有關(guān)參數(shù)。隨后開始測量流量孔板，探針測量與測功器的處理來將出級效率測量出來。

四、結(jié)束語

總得來說，汽輪機(jī)及其性能對于整體汽輪機(jī)的運(yùn)作有著極為重要的影響，采取有效技術(shù)方法來提升汽輪機(jī)性能不但可以有效控制燃料的消耗量，而且還有利于降低二氧化碳的排放。因此，相關(guān)工作人員應(yīng)當(dāng)要采取有效的技術(shù)策略來提升汽輪機(jī)的性能。

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