汽輪機(jī)濕汽損失的分析與研究

高德偉

（中國(guó)石油遼陽(yáng)石化分公司熱電廠，遼陽(yáng)111003）

凝汽式汽輪機(jī)的末幾級(jí)處于濕蒸汽區(qū)，盡管目前大型汽輪機(jī)功率已達(dá)1 500MW，低壓級(jí)葉片長(zhǎng)達(dá)1.2m，但對(duì)汽輪機(jī)內(nèi)濕蒸汽流的特性仍了解不多.由于尚未充分掌握水珠形成、集聚過(guò)程及產(chǎn)生濕汽損失的機(jī)理，且難以正確測(cè)定濕蒸汽在級(jí)中被分離出的水分，因此，對(duì)濕汽損失還不能準(zhǔn)確評(píng)價(jià).到目前為止，對(duì)濕度造成的汽輪機(jī)效率損失仍采用Baumann在1921年提出的經(jīng)驗(yàn)公式：

濕汽損失一般包括過(guò)飽和損失、摩擦阻力損失、制動(dòng)損失和疏水損失.但實(shí)際特征表明：濕汽損失的形成除上述4個(gè)方面外，還存在另一種較大的損失——彈珠撞擊損失.所謂的“彈珠”在本文中定義為撞擊到隔板和汽缸壁的一次水滴形成的水膜破裂反彈形成的二次水滴，或二次水滴撞擊到隔板和汽缸壁反彈出來(lái)的水滴，即“反彈水珠”.下面從幾個(gè)方面對(duì)彈珠撞擊損失進(jìn)行分析.

1 汽輪機(jī)末級(jí)葉片被沖蝕后的特征

某廠8號(hào)機(jī)組（CC50－8.8／1.47／0.245型）末級(jí)葉片的基本參數(shù)如下：末級(jí)葉片數(shù)量為Z＝94片，轉(zhuǎn)速為N＝3 000r／min，節(jié)徑為D＝1 775mm，噴嘴出汽角正弦為sinα1＝0.334 4，噴嘴出口蒸汽速度為c1＝340.3m／s.

圖1和圖2是該汽輪機(jī)末級(jí)葉片被沖蝕的實(shí)例圖.從圖1和圖2可以看到，末級(jí)葉片被沖蝕后具有如下特征：（1）葉片背弧面被水珠撞擊寬度約為S0≈23mm.（2）葉片背弧面頂端被水珠撞擊的高度約為SR≈1.5mm.（3）水珠與葉片撞擊時(shí)，水珠的運(yùn)動(dòng)方向與葉柵徑向方向的夾角為δ≈20°（在拉筋和葉片頂部的“V”型缺口處除外）.（4）在葉片的頂部出現(xiàn)了“V”型缺口，且被水珠撞擊的寬度為Sb≈10mm.（5）葉片背弧面被水珠撞擊部位與未被水珠撞擊部位之間的分界線呈現(xiàn)一條徑向的直線L1（拉筋附近區(qū)除外）.（6）在葉片背弧上被水珠撞擊的部位，其撞擊面上有一條明顯的分界線L2，且L2基本是一條徑向的直線（頂部的“V”型缺口附近除外）.從葉片進(jìn)汽邊到分界線的左側(cè)區(qū)域撞擊損傷非常嚴(yán)重，且呈非均勻性撞擊，其撞擊程度逐漸減??；而分界線右側(cè)被撞擊的區(qū)域，撞擊損傷程度較小，應(yīng)該屬于均勻性撞擊.（7）在葉片背弧上拉筋的附近區(qū)域沒(méi)有被水珠撞擊損傷的現(xiàn)象.（8）葉片進(jìn)汽側(cè)的背弧上焊有司太立合金片和未焊司太立合金片位置處葉片被沖蝕的程度不同，有合金片處被沖蝕的程度較輕，無(wú)合金片處被沖蝕的程度較嚴(yán)重.

圖1 末級(jí)葉片沖蝕圖（內(nèi)弧面）Fig.1 Erosion appearance of the last stage blade（concave surface）

圖2 末級(jí)葉片沖蝕圖（背弧面）Fig.2 Erosion appearance of the last stage blade（convex surface）

2 沖蝕特征的分析

2.1 沖蝕動(dòng)葉的水珠最大軸向運(yùn)動(dòng)位移的估算

在濕蒸汽流動(dòng)中無(wú)論是一次水滴還是二次水滴，其流動(dòng)速度均與直徑大小有關(guān).一次水滴數(shù)量很多，直徑很小，在高速汽流的帶動(dòng)下，因流動(dòng)速度與主汽流速度基本一致，能夠順利地通過(guò)動(dòng)葉柵，按新的理論觀點(diǎn)該直徑很小的一次水滴不會(huì)對(duì)葉片產(chǎn)生撞擊損傷.但是該機(jī)組的蒸汽品質(zhì)較差，在蒸汽凝結(jié)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生有核凝結(jié)，而有核凝結(jié)的水滴尺寸大于自發(fā)凝結(jié)產(chǎn)生水滴的尺寸［1］，且凝結(jié)會(huì)提前，再加上排汽壓力較低（3.05kPa），會(huì)形成較大的一次水滴，水滴流動(dòng)速度與主汽流速度產(chǎn)生偏差，導(dǎo)致有核凝結(jié)形成的一次水滴對(duì)葉片產(chǎn)生了水蝕作用（圖2中的均勻性撞擊）；直徑較小的二次水滴的流動(dòng)方向與主汽流略有偏差，但也能夠通過(guò)動(dòng)葉柵，其與動(dòng)葉相撞時(shí)會(huì)產(chǎn)生一些負(fù)功，但對(duì)動(dòng)葉的沖蝕程度不大.對(duì)于直徑再大一些的二次水滴，因其流動(dòng)方向與主汽流方向差別較大，會(huì)與動(dòng)葉片背弧面相撞擊，對(duì)汽輪機(jī)做負(fù)功，同時(shí)對(duì)動(dòng)葉造成嚴(yán)重的沖蝕.在相關(guān)的濕汽損失研究中，一般取對(duì)動(dòng)葉產(chǎn)生沖蝕的水滴流速為蒸汽流速的10%～13%左右［2］，此處取噴嘴出口處水珠流速cs＝c1×13%＝4.24（m／s）.

轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)1／94周所用的時(shí)間（未計(jì)葉片厚度影響）是t＝2.13×10－4s.根據(jù)以上條件，可計(jì)算出在濕蒸汽流動(dòng)中，對(duì)動(dòng)葉產(chǎn)生沖蝕作用的水滴從進(jìn)入動(dòng)葉邊緣到與下一動(dòng)葉背弧面相撞時(shí)最大軸向運(yùn)動(dòng)位移S1（未計(jì)徑向速度的影響）為：S1＝cst sinα1＝44.24×2.13×10－4×0.334 4＝3.15（mm）.

2.2 沖蝕特征分析

對(duì)沖蝕特征從以下幾方面進(jìn)行分析：

（1）由上述計(jì)算可以看到水滴從進(jìn)入動(dòng)葉邊緣到與下一動(dòng)葉背弧面相撞時(shí)所能產(chǎn)生的最大軸向運(yùn)動(dòng)位移S1遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于特征（1）中葉片被水滴撞擊的寬度S0.

由式（2）可以看出，水滴最大軸向運(yùn)動(dòng)位移與水蝕寬度相差懸殊，下面從特征（3）的現(xiàn)象來(lái)進(jìn)行分析.在特征（3）中水蝕痕跡方向與葉柵徑向方向的夾角約為20°，如果考慮在末級(jí)葉片前汽流攜帶的一次、二次水滴撞擊到隔板外緣內(nèi)表面，部分撞擊到隔板的一次、二次水滴反彈破裂形成彈珠，改變運(yùn)動(dòng)方向，其軸向運(yùn)動(dòng)方向的分速度相對(duì)增大，如圖3和圖4所示.

圖3 彈珠運(yùn)動(dòng)方向的軸向側(cè)視圖Fig.3 Axial lateral view of marble movement

圖4 彈珠運(yùn)動(dòng)方向的軸向俯視圖Fig.4 Axial top view of marble movement

從圖3和圖4中可以看出，一次水滴撞擊到隔板外緣內(nèi)表面后，被彈起的彈珠會(huì)直接進(jìn)入動(dòng)葉區(qū)域撞擊到旋轉(zhuǎn)動(dòng)葉片的背弧上.同理，蒸汽流撞到隔板外緣的內(nèi)表面后，也會(huì)產(chǎn)生反彈的蒸汽流.因此，在隔板外緣附近區(qū)域內(nèi)任何位置，同時(shí)存在蒸汽流、反彈蒸汽流、一次水滴、二次水滴（水膜形成）和彈珠，它們彼此之間相互影響、相互作用，其各自的流速在相關(guān)的流場(chǎng)內(nèi)發(fā)生改變，形成復(fù)合速度.一次水滴的復(fù)合速度cYF在軸向方向上的分速度遠(yuǎn)大于噴嘴出口處一次水滴速度cYS在軸向方向上的分速度，故出現(xiàn)了特征（1）的現(xiàn)象.

（2）彈珠（二次水滴）形成的復(fù)合速度cTF在軸向方向上的分速度也相應(yīng)增大.但與一次水滴相比，彈珠的質(zhì)量較大，所以彈珠的復(fù)合速度cTF在軸向方向的分速度較一次水滴小，故出現(xiàn)了特征（6）的現(xiàn)象，從葉片進(jìn)汽邊到分界線L2的左側(cè)區(qū)域撞擊損傷非常嚴(yán)重，主要是由二次水滴和部分一次水滴與動(dòng)葉片撞擊產(chǎn)生的；而L2的右側(cè)區(qū)域撞擊損傷程度較小，主要是由有核凝結(jié)形成的一次水滴與動(dòng)葉片撞擊產(chǎn)生的.

另外，由于二次水滴直徑大小以及質(zhì)量不等，流動(dòng)速度有所差別，所以呈現(xiàn)非均勻性撞擊損傷，且沿葉片進(jìn)汽邊到分界線的左側(cè)區(qū)域，其撞擊程度逐漸減小；而在溫度、壓力變化不大的情況下，一次水滴的密度應(yīng)該是接近均勻的，因此分界線的右側(cè)區(qū)域呈現(xiàn)均勻性撞傷.

（3）雖然葉頂處蒸汽流速大于葉根處，但是靠近葉頂處一次水滴的質(zhì)量也較大，流速相對(duì)減小.且在濕蒸汽流動(dòng)中的一次水滴從進(jìn)入動(dòng)葉邊緣到與下一個(gè)動(dòng)葉背弧面相撞的時(shí)間是一定的，對(duì)動(dòng)葉能產(chǎn)生沖刷現(xiàn)象的水滴所能達(dá)到的最大軸向位移也基本接近，因此出現(xiàn)特征（5）的現(xiàn)象.

（4）由圖2可以看出，水滴和蒸汽的徑向分速度較大，如果能夠通過(guò)改變?nèi)~片的葉形結(jié)構(gòu)，降低蒸汽流的徑向速度，提高周向速度，使夾角δ增大，或許對(duì)機(jī)組效率的提高會(huì)有所幫助.

（5）由于拉筋對(duì)濕蒸汽流動(dòng)的速度場(chǎng)有一定影響，受反彈蒸汽流等的影響，對(duì)動(dòng)葉能產(chǎn)生沖刷現(xiàn)象的水滴不能靠近拉筋附近，因此就會(huì)出現(xiàn)特征（7）的現(xiàn)象.

（6）以上所討論的現(xiàn)象均是指當(dāng)隔板外緣內(nèi)表面為“錐面形狀”時(shí)的特征，而該汽輪機(jī)的末級(jí)和次末級(jí)隔板外緣內(nèi)表面的前段是“錐面形狀”，后段則呈“柱面形狀”（圖5）.

圖5 彈珠運(yùn)動(dòng)方向示意圖Fig.5 The direction of marble movements

由圖5可以看出，一次水滴沉積到隔板“柱面形狀”表面形成的水膜破裂彈起的彈珠，比從 “錐面形狀”表面彈起的彈珠在軸向方向的分速度小很多，同時(shí)會(huì)吸附一定量的一次水滴和錐面上產(chǎn)生的彈珠，使得此位置附近水珠的大小和密度增大，水珠與葉片的撞擊更加嚴(yán)重，因此會(huì)出現(xiàn)特征（4）的現(xiàn)象.當(dāng)水珠撞到葉頂密封面被反彈到葉片頂端時(shí)，葉片頂端被撞擊，出現(xiàn)特征（2）的現(xiàn)象.這是因?yàn)閺椫閺较蛩俣鹊拇笮∈芷渌俣葓?chǎng)的影響不大，所以被水珠撞擊的高度很小.

3 濕汽損失的分析

綜上所述，彈珠撞擊損失是實(shí)際存在的，是二次水滴損失的一部分.因此利用式（1）來(lái)計(jì)算濕汽損失不夠全面.實(shí)際特征表明，濕汽損失應(yīng)該由2部分組成，即

式中：Δhx為濕汽損失；F1（xm）為一次水滴損失；F2（γ，xm）為二次水滴損失.

應(yīng)該指出的是F1（xm）＝ （1－xm）RΔh′i，只與蒸汽濕度有關(guān).二次水滴損失F2（γ，xm）又包含2部分損失：一部分是由“水膜”產(chǎn)生的二次水滴損失；另一部分是由“彈珠”產(chǎn)生的二次水滴損失.

在濕汽損失中，當(dāng)蒸汽的濕度大于一定值時(shí)，F(xiàn)2（γ，xm）＞F1（xm）.

在汽輪機(jī)的濕蒸汽區(qū)域內(nèi)，彈珠量的多少直接影響汽輪機(jī)的效率，可以通過(guò)一定的技術(shù)手段和方法來(lái)控制彈珠的生成量，降低由“彈珠”產(chǎn)生的損失，從而降低濕汽損失，提高汽輪機(jī)效率.

4 解決的方法

在汽輪機(jī)低壓缸的最后幾級(jí)，通過(guò)對(duì)隔板表面進(jìn)行改造來(lái)減少?gòu)椫榈男纬?，以提高除濕效果，降低由彈珠所引起的二次水滴損失.即采用汽輪機(jī)外緣內(nèi)表面去濕隔板，可以減小濕汽損失，提高機(jī)組效率，延長(zhǎng)葉片使用壽命.

4.1 降低蒸汽濕度，減小濕汽損失，提高機(jī)組效率

使用汽輪機(jī)外緣內(nèi)表面去濕隔板，可以降低蒸汽濕度，減小濕汽損失，提高機(jī)組效率，其理由主要有：（1）有效分離出濕蒸汽中的水分，降低蒸汽濕度；（2）控制彈珠生成量，能夠減少葉片表面上沉積的“水膜”量，也可降低二次水滴的撞擊損失，同時(shí)減小彈珠對(duì)蒸汽流的干擾；（3）減小一次水滴和二次水滴的軸向復(fù)合速度，使得葉片承受一次水滴和二次水滴撞擊的面積和力量大幅減??；（4）能夠排除葉片上形成的部分“水膜”，減少二次水滴生成量.

4.2 延長(zhǎng)葉片的使用壽命

使用汽輪機(jī)外緣內(nèi)表面去濕隔板能夠減少由彈珠所產(chǎn)生的二次水滴，從而極大地減輕葉片水蝕的程度，延長(zhǎng)葉片的使用壽命.

4.3 改變?nèi)~柵的氣體動(dòng)力特征

目前汽輪機(jī)葉柵的氣體動(dòng)力特征一般是在風(fēng)洞里用平面葉柵試驗(yàn)獲得的.風(fēng)洞試驗(yàn)一般均采用空氣作為工質(zhì)，圖6為反動(dòng)式葉柵的壓力分布曲線［2］，橫坐標(biāo)為葉型各點(diǎn)的位置，縱坐標(biāo)為壓力系數(shù)的表達(dá)式如下：

式中：pi為葉型上某測(cè)量點(diǎn)的靜壓力；p1、ρ1和c1分別為葉柵后汽流的壓力、密度和速度.

圖6 干蒸汽區(qū)域內(nèi)反動(dòng)式葉柵的壓力分布曲線Fig.6 Pressure distribution in reactionary cascade at dry steam region

筆者認(rèn)為，圖6只適用于汽輪機(jī)葉柵在干蒸汽區(qū)域內(nèi)的氣體動(dòng)力特征，而不適用于汽輪機(jī)葉柵在濕蒸汽區(qū)域內(nèi)的氣體動(dòng)力特征.假設(shè)汽輪機(jī)葉柵在只含有一次水滴的濕蒸汽區(qū)域內(nèi)工作時(shí)，其反動(dòng)式葉柵的壓力分布曲線如圖7所示.當(dāng)汽輪機(jī)葉柵在同時(shí)含有一次水滴和二次水滴的濕蒸汽區(qū)域內(nèi)工作時(shí)，其反動(dòng)式葉柵的壓力分布曲線如圖8所示.這可以通過(guò)圖2加以證明，同時(shí)在高速液固撞擊理論中，液滴撞擊固體壁面時(shí)，其最大界面壓力分布的特征也可以證明.根據(jù)Rochester和Brunton［3］的試驗(yàn)結(jié)果，所用的液滴直徑為5mm，撞擊速度為100m／s，撞擊壓力峰值出現(xiàn)在固液撞觸邊緣，數(shù)值達(dá)到260 MPa，如果考慮到測(cè)量器的變形，實(shí)際壓力值還應(yīng)更高，可達(dá)2.5倍的水錘力.

圖7 含有一次水滴時(shí)反動(dòng)式葉柵的壓力分布曲線Fig.7 Pressure distribution in reactionary cascade with preliminary water droplets

圖8 含有二次水滴時(shí)反動(dòng)式葉柵的壓力分布曲線Fig.8 Pressure distribution in reactionary cascade with secondary water droplets

如果使用外緣內(nèi)表面去濕隔板，能夠同時(shí)減少濕蒸汽區(qū)域內(nèi)的一次水滴和二次水滴，這樣汽輪機(jī)葉柵在濕蒸汽區(qū)域內(nèi)工作時(shí)，其反動(dòng)式葉柵的壓力分布曲線如圖9所示，盡可能地接近圖6的狀態(tài).從而使得動(dòng)葉片背弧側(cè)所受到的撞擊力減小，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的阻力也減小，達(dá)到提高機(jī)組效率，延長(zhǎng)葉片使用壽命的目的.

圖9 使用外緣內(nèi)表面去濕隔板時(shí)反動(dòng)式葉柵的壓力分布曲線Fig.9 Pressure distribution in reactionary cascade with the use of outer－edge inner－surface dewetting boards

4.4 改變濕度分布曲線

對(duì)葉片侵蝕而言，濕度沿徑向的分布情況比平均濕度復(fù)雜得多.依據(jù)相關(guān)技術(shù)資料［4］，水蝕率沿葉型內(nèi)弧、背弧的沉積率以及徑向的分布情況可通過(guò)理論計(jì)算獲得，所得的數(shù)據(jù)與試驗(yàn)結(jié)果也較吻合，圖10［4］為動(dòng)葉進(jìn)口沿徑向的濕度分布圖.

若將圖10的濕度曲線分解為圖11和圖12兩部分，圖11為由一次水滴所產(chǎn)生的濕度分布曲線，圖12為由二次水滴所產(chǎn)生的濕度分布曲線.圖11和圖12中的濕度值可參照式（2）的比值和式（3）適當(dāng)選取.在圖11和圖12中雖然數(shù)值可能存在偏差，但是定性講，應(yīng)該是合理的.

圖10 動(dòng)葉進(jìn)口沿徑向的濕度分布Fig.10 Moisture distribution around inlet of rotor blade in the radial direction

圖11 一次水滴產(chǎn)生的濕度分布Fig.11 Distribution of moisture generated by preliminary water droplets

圖12 二次水滴產(chǎn)生的濕度分布Fig.12 Distribution of moisture generated by secondary water droplets

如果使用外緣內(nèi)表面去濕隔板，能夠有效地減少濕蒸汽區(qū)域內(nèi)的二次水滴，從而降低了濕蒸汽區(qū)域內(nèi)的濕度，使圖10中的動(dòng)葉進(jìn)口沿徑向濕度分布改變?yōu)榻咏鼒D11中的動(dòng)葉進(jìn)口沿徑向濕度分布.

4.5 改變濕蒸汽的工作范圍及其過(guò)程曲線

在汽輪機(jī)低壓缸的末幾級(jí)，使用以往的普通隔板，蒸汽濕度就會(huì)較大，在低壓缸內(nèi)蒸汽膨脹過(guò)程曲線應(yīng)該體現(xiàn)為圖13所示過(guò)程［5］.如果采用外緣內(nèi)表面去濕隔板，低壓缸內(nèi)的蒸汽濕度會(huì)相應(yīng)降低，低壓缸內(nèi)蒸汽膨脹過(guò)程曲線應(yīng)該體現(xiàn)為近似圖14所示過(guò)程.從兩曲線的比較可以看出，使用外緣內(nèi)表面去濕隔板后，汽輪機(jī)最后各排汽點(diǎn)處的濕度有所減小，能夠更有效地減小濕汽損失，從而提高汽輪機(jī)的級(jí)效率，延長(zhǎng)動(dòng)葉片的使用壽命.

圖13 使用普通隔板濕蒸汽汽輪機(jī)的i－s圖Fig.13 i－s curves for wet steam turbines with ordinary clapboard

圖14 使用外緣內(nèi)表面去濕隔板濕蒸汽汽輪機(jī)的i－s圖Fig.14 i－s curves for wet steam turbines with dewetting clapboard

5 結(jié) 論

（1）濕汽損失Δhx由2部分組成：一是來(lái)源于一次水滴損失，二是來(lái)源于二次水滴損失.當(dāng)蒸汽濕度大于一定值時(shí)，二次水滴損失可能會(huì)大于一次水滴損失.

（2）一次水滴損失主要體現(xiàn)在一次水滴與動(dòng)葉片背弧面發(fā)生“均勻性撞擊”的損失部分.二次水滴損失主要體現(xiàn)在二次水滴與動(dòng)葉片背弧面發(fā)生“非均勻性撞擊”的損失部分.

（3）一次水滴損失是使動(dòng)葉片的背弧面上壓力相對(duì)升高的主要原因.二次水滴損失是使動(dòng)葉片的背弧面上壓力急劇升高的主要原因.

（4）有核凝結(jié)形成的一次水滴對(duì)葉片也會(huì)產(chǎn)生水蝕作用.

（5）采用汽輪機(jī)外緣內(nèi)表面去濕隔板能降低濕汽損失，提高汽輪機(jī)效率.

致謝：本論文受中國(guó)工程院蔣洪德院士的指導(dǎo)和大力支持，借此機(jī)會(huì)向蔣院士致以最真誠(chéng)的謝意.

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