有关提升汽轮机性能的技术研究

郭小利

摘 要：本文主要通过对高载荷静叶与动叶的开发、汽轮机低压轴性能提升以及对反动式叶片进行优化三方面进行分析与论述，探讨提升汽轮机性能的有关技术方法，希望能对广大同行有所助益。

关键词：汽轮机；性能；提升；技术

一、高载荷静叶与动叶的开发

（一）高载荷静叶的开发

在叶弦长度条件相同的条件下，相较于一般静叶而言，高载荷静叶数量要少约14%，同时性能获得了大大提升。因为叶片数量较少，所以可以有效减少叶片表面的摩擦，并且也能够相应降低叶片后缘的尾流损失，提高汽轮机性能。通过总结发现，高负荷静叶特点主要如下：第一，因为叶片头部大头化，因此在叶片上游侧会需要承担一定负荷，从而起到了均衡叶片整体负荷的效果。第二，通过紊流分析、叶片背面喉部下游位置曲率分布曲线等方式来将最优的叶片类型与数量参数设计出来。第三，在圆化叶片头部位置的过程中应当要全面考虑入射角的强度与特性。

（二）高载荷动叶的开发

与高载荷静叶较为相似，高载荷动叶的叶片数量均是有所降低，加大了叶片的载荷。相较于一般动叶来说，高载荷动叶其叶片数量减少了15%左右。与高载荷静叶一致之处在于，降低叶片数量的同时加大了叶片负荷。因此极易出现叶片负压侧的流动脱流现象，尤其是冲动式叶片，因为叶片根部周围背弧曲率较大，因此具有较为明显的倾向性。因此，在开发高负荷动叶过程中，要重点把控叶片强度，确保其范围一直在允许的范围当中。除此之外还需要重视其根部周围叶型设计。第一，控制脱流与边界层的发展，将二次流所造成的损失降低，设计出增大叶片后缘周边荷载的后加载叶型。第二，做好动叶叶片根部的设计工作，运用前置静叶的侧壁损失来预测入射角具有较大难度，因此，可以采用设计叶片前缘位置为椭圆形状，将曲率半径改变，对入射角特点进行改善等方法来应对。值得一提是在设计叶型时采取二维叶片紊流分析技术，实际设计所得沿叶高方向不同的基本截面叶型，采取积叠面形成叶片。

二、汽轮机低压轴性能提升探究

从我对有关文献研究以及自己多年工作实践来看，受到各种主客观因素地影响，不少汽轮机运转时会出现高压与低压轴二者供汽差异或者是轴封漏气等问题。如果不及时处理这些问题不仅会造成汽轮机低压轴进水的情况，同时也会导致其轴封供回气系统运转经济成本大大增加。有鉴于此，为了解决上述问题地出现我们应当采取以下措施来提升汽轮机低压轴性能：第一，改造系统管路。针对汽轮机低压轴系统管路改造上可以从下面着手：增加两套低压轴封上供汽调节设备，这样一来将汽轮机高压与低压两个轴封分离开来。其中一套设备安装在高压轴封上，而另外一套则在低压轴封。之后由它们分别向各自地前后即中压前轴封供汽，这样一来有助于保证高压与低压两个轴封供汽实现一致；第二，改造控制系统。通过对系统管路改造后，汽轮机高压与低压两个轴封都实现了单独供汽， 其中，经过改造后控制系统是单独向高中压轴封供汽，而新增部分则是单独向低压轴封供汽。在低压轴封系统中，主要是通过对比环境温度、供汽温度与回汽温度来对供气量及性能判断。在典型的PI闭环控制情况下能够及时调整设定值，并对低压轴封供汽压力进行自动调节，保证真孔能够在机组负荷改变的情况下保持稳定，且能够准确诊断轴封工作状态。第三，装设热工测点。高压轴封供汽与低压轴封供汽分离，相对来说低压轴封供汽系统是独立的，同时具有自适应控制能力，与真空、温度以及压力等有关信号参数相配合，通过传感器信号引入DCS系统内，或是额外装设PI调节器。

三、对反动式叶片进行优化

要想有效提升汽轮机效率，并且能够寻求到汽轮机结构的参数，如反动度、转子直径以及级数等的平衡，需要积极开发出一类与结构类型相适应的叶型，需要控制汽轮机高压级中叶片长度，切勿过长。因为沿叶高方向的二次流领域与边界层所占比例较大，因此，需要全面考虑流场特性的高性能叶片。根据旋转动叶的周向速度与静叶出口的绝对速度，蒸汽是根据特定速度进入动叶，所以此速度方向与动叶入口角存在较远距离，且出现较大的叶型损失。不仅如此，还需要全面考虑其他因素的影响，因此要想设计动叶相对流入角具有较高精度难度较大。当前，在设计叶型时往往是采取基于实验的强化设计法。

（一）强化设计法

第一，如若将叶栅视为一个系统，利用系统输出与输入间的关系，即运用原点直线，能够有效选择测量特点与信号因子。第二，控制因子与误差因子。其中，误差因子主要指的是会在一定程度上对设定功能产生负面影响的因子，经过进一步研究采用流入角作为误差因子，加上将其他因素考虑在内，最后选择了30°、50°以及70°三类流入角。除此之外，，由于控制因此在很大程度上决定了叶型参数，所以在数值实验过程中，可以利用计算机来选择与损失特点与流入角特点相关的4项参数，如相对叶宽、节弦片、前缘曲率半径、叶片转向角。在强化设计过程中，需要注意损失特点与流入角特点应当要与灵敏度特点与特性相对应。第三，叶型设计。由于四个控制因子无法发挥出所有作用，且叶型形状有所不足，要求能够实现根据二维紊流来实施分析，通过有效结合叶型设计与损失评价反映，采取反问题来有效修正叶型与叶片最大载荷，将候补长度确定下来，叶片荷载分布修正范围单单指的是最大荷载区域周边。第四，灵敏度特点与SN比。根据上述情况实施二维稳流分析，根据计算结果在相应条件下，灵敏度平均值与SN比的因果图，以便于能够研发出较小损失的叶片。第五，根据最优条件研究。根据上述两类情况，采取损失评价与二维紊流分析来实施對比，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。

（二）开展二维叶栅风动试验

为了更好地测算出叶片在运转时所出现的能量损失系数，笔者建议企业需要开展二维叶栅风动试验，这样借助于其风洞中五孔探针位置进行测量。然后认真分析试验中和类似广泛围气流入角、损失特点平坦化等内容，之后再进一步分析它与一般叶片的差别。最后利用分析结果对反动式叶片进行优化，以此降低运行时能量损耗。

（三）确认空气透平级效率

要想保证汽轮机的级效率与规定要求相符，需要根据实际对比最佳叶片与普通叶片的结果来开展模型透平试验。采用油热电偶内置其中是悟空探针，沿级的出入口径相发展，通过测量流角、温度与压力等有关参数。随后开始测量流量孔板，探针测量与测功器的处理来将出级效率测量出来。

四、结束语

总得来说，汽轮机及其性能对于整体汽轮机的运作有着极为重要的影响，采取有效技术方法来提升汽轮机性能不但可以有效控制燃料的消耗量，而且还有利于降低二氧化碳的排放。因此，相关工作人员应当要采取有效的技术策略来提升汽轮机的性能。

参考文献：

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