汽轮机的蒸汽流测量技术

任国峰

（哈尔滨汽轮机厂有限责任公司，哈尔滨150046）

1 引言

发电用大型汽轮机的流动特征是：其中所流经的高温高压蒸汽在膨胀过程中实现能量转换。在火电汽轮机中，供给其高压缸的是 10～31MPa、540℃～600℃的高温高压蒸汽，经能量转换变为5kPa、33℃左右的湿蒸汽，从低压缸中排出。雷诺数从高压部分的4×107变化到低压部分的5×105，相差两个等级。各级叶片出口的马赫数在0.3～1.8之间变化。特别是最下游包括末级在内的几级中均为蒸汽中含水滴的气液二相流（湿蒸汽流）。

通常，火电汽轮机中低压部分的最后2～3级，以及核电汽轮机高压缸和低压缸中的大部分级均按湿蒸汽轮机设计。一部分蒸汽在凝缩时会出现水滴，并在流过壁面时形成水膜。于是，动叶在高速回转时，其顶部受到水滴的冲击就出现浸蚀。同时，水滴的制动效应也会降低汽轮机的效率。因此，正确地预测通流部分中湿蒸汽流各级的二相流状态，并反馈到设计中去，这对高性能和高可靠性的汽轮机设计至关重要。另外，在末级叶动顶端的圆周速度超过了音速，在设计时必须相应地提高压力比，以形成最大马赫数约为1.8的跨音速流。为此，在叶片设计时，必须考虑冲击波的发生。

2 叶栅试验

对汽轮机的能量变换效率影响最大的元件是静叶（喷嘴）和动叶，因此，要开发高性能叶片，需要进行大量的2次元叶栅风洞试验。另一方面，从1990年代后期开始，由于计算流体力学（CFD）的进步和作为计算机硬件的CPU高速化和主存储器容量的扩大，使叶片形状的优化以及效率预测得以在短时间内实施，从而出现了省略二次元叶栅风洞试验的趋向。但是，在利用CFD进行气动损失模拟来确认与实测值的一致性方面取得进步的同时，如果要验证叶栅形状与设计时发生较大变化的情况下，还是希望使用分析和风洞试验并用的办法。

蒸汽风洞利用由锅炉供给的过热蒸汽作为工质，并在试验叶栅测量部位的下游设置有一个冷凝器，来凝缩蒸汽并维持真空。

瞬间测量式蒸汽风洞，利用存贮在罐内的过热蒸汽或饱和蒸汽瞬间放出，进行瞬间（约0.5s）测量。其优点是不需要大型锅炉，压力管内充油，以防止在测量时蒸汽凝缩。利用本风洞测得的动叶表面压力分布情况，这是在入口处为干蒸汽，内部发生非平衡凝缩的条件下测得的。从叶片前缘到轴向60%弦长附近凝缩冲击波出现“山形”压力变化。为了提高CFD的分析精度，这样的测量数据起着重要的作用。

3 模型透平试验

开发出来的叶栅性能，需要通过由静叶和动叶组成的级进行验证，因此使用了各式各样的模型透平。

单级模型透平以反射式纹影可视法示出了回转中动叶流道及其上游静叶流道内部的跨音速流状况。在叶栅的内壁面处、静动叶的间隙部位、动叶下游靠近回转中心的位置上，都设置有反射镜，致使几乎整个静动叶列区域内的瞬间密度分布情况都实现可视化。用该装置摄下的、在透平处于回转状态下的静动叶的列内的跨音速流的纹影照片，使离开静叶后缘的冲击波在动叶流道背弧侧反射情况实现了可视化，从而为降低静动叶流之间的相互干涉损失提供了有效的信息。

在进行气动性能或湿蒸汽特性的测量和可信度更高的综合性试验时，一般均利用多级模型汽轮机。

为了测量末级附近的湿蒸汽流，使用了水滴颗粒的光学测量法。用激光液滴计测量试验汽轮机低压末级下游微小水滴时的情况，利用微小水滴的实测结果算出的湿度径向分布曲线。在叶片80%高度到其顶部区域内的壁面温度急增。在测量作为湿蒸汽特性的温度时必须获知1μm以下的水滴粒径及其密度。根据在出口压力4kPa时的测量结果，在湿蒸汽级中，凝缩水分的一部分引起的动叶浸蚀和水滴冲击损失，在静叶表面设置了去湿结构（去湿槽）。在去湿槽下游的配管和量箱均有绝热保温设施，以防蒸汽凝缩。此外，通过与内窥镜相联的摄像机观察水膜或水流入去湿槽的状况，以确认去湿槽的去湿效能。

通过风洞试验或模型透平试验验证的新技术在应用于实机时，借助于在实机的相关部位壁面上设置压力/温度传感器，就可以进行蒸汽流测量。

4 结语

通过风洞试验或试验模型透平进行蒸汽流的测量，可以获到叶栅或级的性能特性、级的速度矢量、流量、损失以及湿蒸汽级中的温度分布、水滴直径、水滴密度分布等数据。利用这些数据，就可以在设计时提高汽轮机级的性能和可靠性。另一方面，根据蒸汽流的数值分析，可以在某种程度上包括湿蒸汽特性在内的叶栅和级的液体特性进行先期评价。但是，对模型透平以及实机进行蒸汽流测量，是验证提高性能和可靠性的新技术，是不可缺少的过程，我们期待这方面的测量技术有进一步的提高。