提高汽轮机性能及运行特性分析
作者 : 未知

  【摘 要】汽轮机是能够将蒸汽热能转化成机械功的外燃回转式机械,它的主要运行功能就是对来自锅炉的蒸汽进行处理,使之转化成其他形式的能量。本文就应用于实机的各种提高性能的技术中,摘出与叶片开发有关的技术,尤以高?中压缸为对象,对高载荷静・动叶片的开发实例作一说明,最后详细介绍了优化反动式叶片。
  【关键词】汽轮机;性能;技术
  1.高载荷静叶的开发
  在相同叶弦长度条件下,高载荷静叶的数量比以往静叶少了约14%,且性能得到提高。由于减少了叶片数量,叶片表面的摩擦损失和产生于叶片后缘的尾流损失减少,使提高行性能得以实现。高负荷静叶的特征是:(1)由于叶片头部大头化,因此叶片上游侧也承担负荷,均衡了叶片整体负荷;(2)利用反映叶片背面喉部下游位置曲率分布的曲线和紊流分析等详细的设计方法,设计出最佳的叶片数量和叶型。另外,在叶片头部的圆化时还考虑到了入射角特性和强度方面。
  2.高载荷动叶的开发
  高载荷动叶和高载荷静叶一样,也是削减了叶片数量、增大了每枚叶片的载荷。高载荷动叶的开发目标是:与以动叶相比,降低约15%的叶片数量。与高载荷静叶一样,叶片数量减少,叶片负荷增大,因此叶片负压侧的流动就易于脱流。尤其是冲动式叶片,由于叶片根部附近的背弧曲率大,此倾向很明显。
  因此在开发高负荷动叶时,条件是需将叶片强度控制在允许值以内,重点放在其根部附近的叶型设计上:(1)为了控制脱流和边界层的发展,降低二次流损失,设计出增大叶片后缘附近负荷的后加载叶型;(2)在动叶叶片根部设计阶段中,想通过前置静叶的侧壁损失预测正确的入射角是很困难的,因此采取了将叶片前缘部位椭圆化,增大曲率半径和改善入射角特性等措施。特别是,使用了二维叶片紊流分析技术和规定喉部长度的反问题设计法,以及曲线进行叶型设计。使用这些设计手段,设计出沿叶高方向多个基本截面的叶型,并通过积叠面形成叶片。
  3.优化反动式叶片的开发
  3.1开发背景
  为了进一步提高效率,谋求通过级数、转子直径、反动度等设计参数来优化汽轮机结构,并开发适用于此结构的优化叶型。另一方面,在汽轮机高压级中,叶片长度相对较短,沿叶高方向的边界层和二次流领域所占的比例变大,因此必需考虑到这些流场特性的高性能叶片。根据静叶出口的绝对速度和旋转动叶的周向速度,蒸汽将以相对速度流入动叶。由此可见,此相对速度方向离动叶几何入口角越远,叶型损失也交越大。另外,实际中必须考虑边界层和二次流的影响,故想将动叶相对流入角设计成预想的高精度是困难的。如今,在叶型设计中综合应用了基于实验的强化设计法,反问题设计法和二维紊流分析技术,针对流入角的变化,开发出损失特性变化缓慢的圆头动叶。
  3.2强化设计的应用
  3.2.1测量特性和信号因子
  将叶栅视为系统,利用系统输入与输出的理想关系(通过原点的直线),选择信号因子(输入)和测量特性(输出)。
  3.2.2误差因子和控制因子
  误差因子是可能阻碍理想功能的因子,进行此研究时,选定流入角作为误差因子,考虑到下面叙述的设计叶型时的几何入角,采用了现实的3种流入角(30°,50°,70°)。另一方面,在此研究中,控制因子是决定叶型的参数,由于数值实验时利用了计算机,从计算机环境和设计期间的观点出发,采用选定与流入角特性和损失特性有密切关系的叶片转向角、前缘曲率半径、节弦比和最大叶片负荷部位这4个参数作为控制因子,分别设定了三种方案。在强化设计中,由流入角特性和损失特性对应于比特性和灵敏度特性。
  3.2.3叶型设计
  四个控制因子进行叶型设计时,仅用这些控制因子不能完全定义叶型形状。因此需预先根据二维紊流分析,将损失评价反映到叶型设计中。再用反问题设计法移动叶片的最大载荷部位,对叶型进行修正。通过用这种反问题设计法进行修正,已足以确定喉部长度。叶片载荷分布的修正范围仅限最大载荷部位附近。
  3.2.4 SN比和灵敏度特性
  针对9种计算方案,进行二维紊流分析,根据此计算结果在三种情况下4个控制因子(A―D),对SN比和灵敏度平均值的因果图。在此研究中,目标是不公将离散度变小(SN比变大),最终还要开发出损失小的叶片。
  3.2.5根据最优条件的研究
  按照上述两种最佳条件进行叶型设计时,通过二维紊流分析和损失评价可决定叶型。通过积叠沿叶高方向的多个截面,即形成1枚动叶。同以往叶片相比,最佳叶片的数量减少了约33%。
  3.3利用二维叶栅风洞进行性能确认试验
  通过二维叶栅风洞中,用5孔探针所进行的逐点测量,计算出能量损失系统数。从此结果中,相当于广泛范围汽流入角,损失特性平坦化,而与以往叶片相比,损失自身也大幅降低。
  3.4利用空气透平进行级效率的确认试验
  为了确认汽轮机的级效率,针对以往叶片和最佳叶片,时行了模型透平试验。用内置热电偶的5孔探针,沿级的出入口径向,对压力、温度和流角进行了逐点测量。然后根据流量孔扳的测量、测功器的出力和探针测量计算出级效率。以顶部的汽封结构也不一样。与以往动叶片相比,效率提高了1.5%。经确认:由于动叶顶部反动度与密封结构的不同,考虑到漏流影响的话,叶片自身的效率可提高3%。此优化反动叶片已应用于实机。
  4.结束语
  针对汽轮机高、中压级,开发出叶片数量削减了约15%的高载荷静・动叶片,经模型透平试验验证:证明效率分别提高了0.35%和0.3%。另一方面,针对像高压级叶片短的级,开发出考虑了流场特点的高性能优化反动式叶片。优化反动式叶片的损失低,且相当于广范围蒸汽流入角的损失特性平坦化,叶片数量与以往相比,减少了多达33%。根据模型透平试验,与以往相比,叶片效率提高了1.5%高载荷静?动叶片及优化反动式叶片已用于实机,今后提高汽轮机效率的技术也将得到更广泛的应用。
  【参考文献】
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  [2]陈波,胡念苏,周宇阳.汽轮机组监测诊断系统中虚拟传感器的数学模[J].中国电机工程学报,2004,24.

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