有关提升汽轮机性能的技术研究

李超

摘 要：文章首先对优化反动式叶片的开发进行分析，分别讲解开发背景、强化设计应用、二维叶栅风动试验、空气透平级效率确认，对高载荷静叶、低载荷动叶的开发进行研究，对汽轮机低压轴封性能的提升措施进行探讨。

关键词：汽轮机；性能；叶片

1 优化反动式叶片的开发

1.1 开发背景

为促进汽轮机效率提升以及在级数、转子直径、反动度等方面寻求汽轮机结构的参数平衡，研发出适合结构类型的优化叶型，一是要在汽轮机高压级中叶片长度不能太长，沿叶高方向的边界层及二次流领域占比比较大，所以要对流场特性的高性能叶片进行充分考虑。

按照静叶出口的绝对速度及旋转动叶的周向速度，蒸汽是以一定的速度进入到动叶的，因此这个速度方向和动叶入口角的距离比较远，叶型的损失非常大，除此之外还要对其他因素的影响进行综合考虑，所以动叶相对流入角设计得精度变高是有一定难度的。现阶段，叶型设计方面采用基于实验的强化设计法。

1.2 强化设计应用

（1）如果把叶栅当做是一个系统，通过系统输入和输出之间的关系，也即是利用原点直线，可以对信号因子和测量特点进行选择。（2）误差因子和控制因子，其中误差因子是指对于设定的功能会造成一定负面影响的因子，深入研究选择流入角当做是误差因子，又考虑其他因素，最终选择三种流入角，分别是30°、50°、70°。还有就是研究中控制因子对于叶型参数起决定性作用，数值实验时通过计算机，选择和流入角特点以及损失特点有关的四个参数，分别是叶片转向角、前缘曲率半径、节弦片、相对叶宽。强化设计方面流入角特点和损失特点对应于特性和灵敏度特点。（3）叶型设计：四个控制因子并不能起到全部作用，叶型形状方面是不足够的，需要提前按照二维紊流进行分析，损失评价反映和叶型设计相互结合，用反问题对叶片最大载荷及叶型进行修正，确定候补长度，叶片荷载分布的修正范围仅仅是指最大载荷区域附近。（4）SN比和灵敏度特点：针对以上情况，进行二维紊流分析，按照计算结果在不同情况下，SN比和灵敏度平均值的因果图。研究发现目标是要开发损失小的叶片。（5）按照最优条件研究：按照以上两种条件，利用二维紊流分析及损失评价对叶型进行比较，利用积叠沿着叶高的方进行截面，也就是形成一枚动叶。和普通的叶片进行比较，最佳叶片数量减少1/3。

1.3 二维叶栅风动试验

利用二维叶栅风洞中的五孔探针位置进行测量，计算出能量损失系数，因此规模上分析类似于广泛范围气流入角，损失特点平坦化，和普通叶片进行比较，损失本身得以大大减少。

1.4 空气透平级效率确认

为了确保汽轮机的级效率符合要求，针对普通叶片和最佳叶片的比较情况，进行模型透平试验。利用内置热电偶的五孔探针，沿级的出入口径向发展，对于相关参数进行测量，包括压力、温度以及流角等。然后对流量孔扳进行测量，测功器的出力以及探针测量计算出级效率。而且以顶部的汽封结构也存在一定区别，和普通叶片对比分析，效率提升起码1.5%。因此，可以得出动叶顶部反动度和密封结构是有差别的，如果对漏流影响进行综合考虑，叶片本身效率能够提升至103%，这种方式对反动叶片的优化已经在实机中得以应用。

2 高载荷静叶与动叶的开发

2.1 高载荷静叶的开发

叶弦长度条件一致的情况下，高载荷静叶的数量和普通静叶相比较少了14%，而且性能得以大幅度提高。由于叶片数量不是很多，叶片表面的摩擦损失大大降低，同时在叶片后缘的尾流损失也相应减少，使得汽轮机性能得以提升。文章对高负荷静叶的特点进行总结：首先，由于叶片头部大头化，所以叶片上游侧同时也承担一定程度的负荷，对于叶片整体负荷而言起到均衡的作用；其次，通过反映在叶片背面喉部下游位置曲率分布的曲线及紊流分析等方法，以此参数设计出最佳的叶片数量和叶型；最后，对叶片头部位置进行圆化时还需要对入射角特性及强度进行综合考虑。

2.2 高载荷动叶的开发

高载荷动叶和高载荷静叶比较类似，都是减少叶片数量，增大叶片载荷。高载荷动叶的开发目标是和普通的动叶比较而言减少大约15%的叶片数量。和高载荷静叶相同的是，叶片数量减少的同时叶片负荷增大，所以叶片负压侧的流动容易产生脱流的情况，特别是冲动式叶片，由于叶片根部周边的背弧曲率比较大，所以倾向性是比较显著的。所以在对高负荷动叶进行开发的过程中，对于条件的把控是对叶片强度进行控制，控制范围始终处于允许值以内，关键是其根部周边的叶型设计方面：一方面，为了对脱流和边界层的发展进行控制，减少二次流带来的损失，设计出增大叶片后缘周边荷载的后加载叶型；另一方面是动叶叶片根部设计环节，利用前置静叶的侧壁损失对入射角进行预测存在一定的难度，所以采取把叶片前缘位置椭圆化，改变曲率半径，以及改善入射角特点等对策。需要注意的是使用二维叶片紊流分析技术进行叶型设计，使用以上设计方法，设计出沿叶高方向不同的基本截面的叶型，并利用积叠面形成叶片。

3 汽轮机低压轴封性能的提升措施

对汽轮机低压轴封性能进行提升改造的主要目的是为了解决汽轮机在运行过程中高压轴封漏气，从而导致油中进水以及环境污染的问题，以此对前箱工作环境进行改善，并且解决高、低压轴封供汽不一致的情况，使得轴封供回汽系统具有一定的经济合理性。文章以某厂汽轮机为例对其改造方案进行介绍，并提出对应措施。由于原系统中高压轴封漏汽室都是正压，轴封供汽是正压，因此轴封漏汽室蒸汽量上升，高压轴封冒汽的现象加剧。同时轴封漏汽分管的管径比较细，导致向外漏汽的情况，一些漏汽管径比较细，导致流速变高，系统阻力比较大，漏汽排出变得异常困难。轴端蒸汽外冒导致油中进水，运行真空度降低，对机组的安全运行产生严重的影响。

3.1 系统管路改造

首先要分开高、低压轴封，也就是增设低压轴封供汽调节设备，使二者分离，其中一套保留，向高压前后及中压前轴封供汽，轴封供汽调整设备可通过原轴封供汽设备；另外就是增设一套设备向低压前后及中压后轴封供汽，以此解决高低压轴封供汽不协调的问题。

3.2 加装热工测点

低压轴封供汽和高压轴封供汽分离，低压轴封供汽的系统相对而言是独立的，并且具备自适应控制能力，配合相关信号参数，包括压力、温度、真空等，这其中离不开传感器的配置，通过传感器信号引入到DCS系统中，或者是另外加装PI调节器。

3.3 控制系统改造

控制系统改造后是单独向高中压轴封供汽，新增设的部分是由低压轴封供汽，低压轴封系统是利用回汽温度和供汽温度及环境温度进行比较，以此判断供汽量的情况。在经典PI闭环控制的前提下对设定值进行实时修正，自动调节低压轴封供汽压力，机组负荷变化中确保真孔稳定，对轴封工作状态进行诊断。

4 结束语

总而言之，汽轮机及其性能的重要性不言而喻，汽轮机性能的提升一方面可以对燃料消耗量进行控制，另一方面对减少二氧化碳等排放也有所帮助。所以，通过高温、高压蒸汽量参数在促进热效率提升的同时，利用各种技术促进汽轮机性能的提升。

参考文献

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