表面粗糙對(duì)汽輪機(jī)通流部分性能影響的研究

張東興，李季，謝資華，楊建明

(東南大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210096)

0 引言

機(jī)組投入運(yùn)行后，由于給水品質(zhì)不合格，致使蒸汽中含有大量的無機(jī)鹽類物質(zhì)，這些物質(zhì)容易在汽輪機(jī)通流部分表面沉積結(jié)垢或使汽輪機(jī)通流部分表面發(fā)生腐蝕，從而使汽輪機(jī)通流部分的表面變粗糙。除此之外，固體顆粒沖蝕、外物沖擊以及針對(duì)通流部分的檢修行為也會(huì)使汽輪機(jī)通流部分表面變粗糙［1］。汽輪機(jī)通流部分表面變粗糙會(huì)導(dǎo)致汽輪機(jī)通流部分性能退化，使汽輪機(jī)組的功率和效率降低，熱耗率增加。

為了弄清楚通流部分表面粗糙后對(duì)汽輪機(jī)通流部分各級(jí)功率和效率產(chǎn)生的影響有多大，在20世紀(jì)60年代，英國V T Forster，B Sc等人分別在額定功率為200MW和500MW的汽輪機(jī)組上進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)，獲取了這2臺(tái)機(jī)組通流部分表面粗糙度的數(shù)據(jù)以及在此表面粗糙度下通流部分各級(jí)的溫度和壓力參數(shù)。分析了表面粗糙度變化對(duì)雷諾數(shù)的影響，以及汽輪機(jī)缸效率損失與表面粗糙度的關(guān)系曲線。隨后，Encotech公司的科研人員在V T Forster等人研究的基礎(chǔ)上進(jìn)一步深化了相關(guān)研究，給出了通流部分各級(jí)的功率損失、效率損失與表面粗糙度的關(guān)系。

本文將對(duì)V T Forster，B Sc等人及Encotech公司的研究成果進(jìn)行進(jìn)一步的概括和總結(jié)，針對(duì)汽輪機(jī)通流部分表面變粗糙的原因以及表面粗糙導(dǎo)致汽輪機(jī)通流部分性能退化的機(jī)制進(jìn)行分析。

1 汽輪機(jī)通流部分粗糙的原因分析

圖1 汽輪機(jī)通流部分表面結(jié)垢

汽輪機(jī)通流部分即蒸汽流過并做功的部分，包括噴嘴、隔板、靜/動(dòng)葉片以及相應(yīng)的汽封裝置。這些裝置在汽輪機(jī)本體中占有極其重要的位置，其優(yōu)劣直接影響汽輪機(jī)通流部分的功率和效率。這些裝置都處于高溫、高壓的工作環(huán)境之下，比較容易出現(xiàn)結(jié)垢、腐蝕和磨損等現(xiàn)象，這些因素均會(huì)使通流部分表面由光滑變得粗糙，從而影響機(jī)組的性能［2］。

在正常情況下，使汽輪機(jī)通流部分表面變粗糙的原因大致可以歸納為通流部分表面結(jié)垢、腐蝕、固體顆粒沖蝕、外物沖擊以及噴鋼砂處理等。

1．1 通流部分表面結(jié)垢

對(duì)于直流鍋爐而言，由于沒有汽包，不能采用常規(guī)的汽水分離、蒸汽清洗等鍋內(nèi)凈化措施來控制蒸汽品質(zhì)，蒸汽品質(zhì)相對(duì)差一些，較易結(jié)垢;而超(超)臨界機(jī)組由于蒸汽的壓力較高，鹽類物質(zhì)在蒸汽中的溶解度較大，溶解有鹽類物質(zhì)的蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)通流部分做功，隨著蒸汽溫度和壓力的下降，溶解在蒸汽中的鹽類被析出并沉積在汽輪機(jī)通流部分表面而結(jié)垢［2］，如圖1所示。垢體沉積在汽輪機(jī)通流部分表面，會(huì)使汽輪機(jī)通流部分表面由光滑變得粗糙，且粗糙程度不均。

1．2 腐蝕

在汽輪機(jī)通流部分中，腐蝕現(xiàn)象通常發(fā)生在汽缸的低壓部分和轉(zhuǎn)子的末幾級(jí)葉片。一般情況下，腐蝕包括水沖蝕、氧腐蝕和酸腐蝕［3］。汽輪機(jī)通流部分腐蝕情況如圖2所示。

圖2 汽輪機(jī)通流部分腐蝕情況

腐蝕主要與蒸汽中溶解氧量、蒸汽品質(zhì)等因素有關(guān)。含有雜質(zhì)的蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)后，由于其壓力和溫度降低，蒸汽中溶解的鈉化合物和硅酸鹽的溶解度隨壓力的下降而降低，以固態(tài)形式析出并沉積在汽輪機(jī)通流部分表面。在機(jī)組啟、?；驒C(jī)組停機(jī)備用時(shí)，若汽輪機(jī)通流部分表面有水膜，沉積在通流部分表面的鹽類物質(zhì)就會(huì)在水膜作用下形成導(dǎo)電的電解質(zhì)，在通流部分表面發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，從而發(fā)生腐蝕。除此之外，若機(jī)組運(yùn)行中有空氣漏入汽缸也會(huì)產(chǎn)生腐蝕現(xiàn)象。若發(fā)生腐蝕，在汽輪機(jī)通流部分表面會(huì)形成點(diǎn)蝕、蝕斑等，汽輪機(jī)通流部分表面由光滑變得粗糙不均。

1．3 固體顆粒沖蝕

固體顆粒沖蝕，是指汽輪機(jī)通流部分表面在含有固體顆粒蒸汽的沖擊下產(chǎn)生的一種磨損現(xiàn)象。蒸汽中固體顆粒主要來源于2個(gè)方面:一方面是從鍋爐過熱器、再熱器、再熱蒸汽管道以及主蒸汽管道內(nèi)表面剝落下來的氧化鐵顆粒;另一方面是停機(jī)時(shí)的腐蝕產(chǎn)物［2］。

這些堅(jiān)硬的固體顆粒高速撞擊、磨削汽輪機(jī)閥門、噴嘴、靜/動(dòng)葉片及其圍帶等通流部件，使得汽輪機(jī)通流部分的噴嘴和動(dòng)葉等重要部件失去金屬材料或產(chǎn)生變形，通流部分表面由光滑變得粗糙［2］。在固體顆粒沖蝕作用下，葉片的前緣和尾翼部位磨損比較嚴(yán)重，葉片表面粗糙度發(fā)生了不同程度的變化，具體情況如圖3所示。

1．4 外物沖擊和噴砂處理

圖3 固體顆粒沖蝕

外物沖擊和固體顆粒沖蝕的原理相似，一般情況下，外物沖擊造成的單個(gè)損壞表面的尺寸要比固體顆粒沖蝕所造成的損壞表面尺寸大，且在外物沖擊時(shí)其動(dòng)作是隨機(jī)的。在外物沖擊作用下，通流部分表面會(huì)變得凹凸不平，即通流部分表面變得粗糙。外物沖擊對(duì)通流部分表面粗糙度的影響程度取決于外物沖擊所損壞的面積大小及均勻度。

噴砂處理是將鋼砂高速噴射進(jìn)汽輪機(jī)通流部分中，在鋼砂的沖擊和切削作用下除去通流部分表面上垢體的行為。噴砂處理在除去結(jié)垢的同時(shí)，也會(huì)對(duì)通流部分表面進(jìn)行沖擊和切削作用，使通流部分表面的粗糙程度發(fā)生改變。

2 通流部分表面變粗糙后對(duì)機(jī)組功率和效率的影響

V T Forster，B Sc等人及Encotech公司的研究結(jié)果表明，汽輪機(jī)通流部分表面變粗糙后，會(huì)對(duì)通流部分內(nèi)蒸汽的壓力、溫度、雷諾數(shù)以及摩擦因數(shù)產(chǎn)生影響，使級(jí)內(nèi)總損失增加，有效能減小，通流部分各機(jī)組的功率和效率下降。

蒸汽在流過通流部分表面時(shí)，會(huì)在其表面形成一個(gè)邊界層，該邊界層從通流部分入口處一直延伸至出口處。通流部分表面變粗糙，會(huì)破壞薄薄的黏性邊界層的內(nèi)層，阻止流動(dòng)分離，增加了流動(dòng)阻礙，摩擦因數(shù)增大，蒸汽部分動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，在等壓條件下被蒸汽吸收，比熵增加，使噴嘴出口處的比焓增加。除此之外，通流部分表面變粗糙，會(huì)使邊界層區(qū)域內(nèi)的蒸汽產(chǎn)生剪應(yīng)力，進(jìn)一步加劇通流部分表面的粗糙度。

如圖4所示，汽輪機(jī)通流部分表面粗糙度增加，通流部分各級(jí)的噴嘴出口絕對(duì)速度v1，動(dòng)葉出口絕對(duì)速度v2，動(dòng)葉出口相對(duì)速度ω2，噴嘴出口汽流方向角α1等相關(guān)參數(shù)均會(huì)發(fā)生改變。這些參數(shù)的變化會(huì)使級(jí)的速度比偏離設(shè)計(jì)的最佳速度比。根據(jù)汽輪機(jī)級(jí)的工作原理可知:制約能量轉(zhuǎn)換的因素是噴嘴損失、動(dòng)葉損失，其中速度比(輪周速度u與噴嘴出口汽流速度v1之比)是制約這2項(xiàng)損失的主要因素。當(dāng)速度比改變時(shí)，噴嘴損失、動(dòng)葉損失、余速損失和撞擊損失都將隨之發(fā)生改變，輪周效率下降，級(jí)內(nèi)損失的恢復(fù)能力下降。研究結(jié)果表明，通流部分表面粗糙度增加，對(duì)級(jí)后壓力影響較小，可認(rèn)為壓力不變，而級(jí)后溫度則略有升高，級(jí)后蒸汽的比熱容c2變大，對(duì)葉輪摩擦損失產(chǎn)生較小影響。

圖4 沖動(dòng)式汽輪機(jī)的速度三角形

寫成邏輯形式:表面粗糙度增加，會(huì)使摩擦損失和動(dòng)能損失均增加，在其他條件不變的情況下，通流部分各級(jí)的有效能減小，各級(jí)的功率損失和效率損失均增加，即通流部分表面變粗糙會(huì)使汽輪機(jī)通流部分性能發(fā)生退化。

試驗(yàn)表明，對(duì)于同一機(jī)組而言，在其表面粗糙度相同的情況下，高、中、低壓缸缸效率的變化截然不同，具體如圖5所示。

圖5 等效砂石表面粗糙度與缸效率損失的關(guān)系［4］

隨著汽輪機(jī)通流部分表面粗糙程度的增大，汽輪機(jī)高、中、低壓缸缸效率的損失均增加，但由于通流部分內(nèi)蒸汽的溫度、壓力及通流面積不同，汽輪機(jī)高、中、低壓缸的缸效率變化對(duì)通流部分表面粗糙度變化的敏感程度不同。其中，通流部分表面粗糙度略微增加就會(huì)對(duì)高壓缸的缸效率產(chǎn)生較大影響，對(duì)于中壓缸和低壓缸而言，要等到表面粗糙度增加到一定值，才會(huì)對(duì)它們的缸效率產(chǎn)生影響，故高壓缸的缸效率對(duì)其表面粗糙度的變化最為敏感，中壓缸次之，低壓缸稍差。當(dāng)表面粗糙度開始對(duì)缸效率產(chǎn)生影響時(shí)，在其初始階段，缸效率損失與表面粗糙度關(guān)系曲線斜率的絕對(duì)值較大，即表面粗糙度的增加對(duì)缸效率的影響較大。隨著表面粗糙度進(jìn)一步增大，缸效率損失與表面粗糙度關(guān)系曲線斜率的絕對(duì)值開始變小，即表面粗糙度的變化對(duì)缸效率的影響減弱。當(dāng)其表面粗糙度增大到一定程度后，其缸效率變化極小，可以認(rèn)為不變［5］。

對(duì)于不同機(jī)組來說，通流部分高、中、低壓缸缸效率受表面粗糙度的影響是不同的。由圖5可知，在汽輪機(jī)通流部分表面粗糙度相同的情況下，2臺(tái)機(jī)組高、中、低壓缸的缸效率損失也是截然不同的，這主要與汽輪機(jī)通流部分中蒸汽的溫度、壓力、葉片高度以及通流面積等因素有關(guān)。

針對(duì)通流部分表面粗糙度相同情況下高、中、低壓缸性能變化不一的問題，Encotech公司在1臺(tái)N300 －24．13/537．8/537．8 型 580MW 汽輪機(jī)組上進(jìn)行了更為細(xì)致的研究。通過計(jì)算，在表面粗糙度Ra=11．23μm的情況下，得出了該汽輪機(jī)組各級(jí)的功率損失和效率損失變化情況，如圖 6、圖 7所示［6］。

由圖6和圖7可知，在汽輪機(jī)通流部分表面粗糙度一致的情況下，通流部分各級(jí)的功率損失和效率損失是不同的。在高壓缸中，其蒸汽的溫度和壓力均較高，通流面積小，通流部分表面蒸汽的雷諾數(shù)較大，當(dāng)其表面變粗糙后，噴嘴稍有變化(變形)，靜葉出汽角α1將隨之發(fā)生變化，汽流發(fā)生偏轉(zhuǎn)，增加噴嘴損失，影響能量有效轉(zhuǎn)換。動(dòng)葉汽流速度v1隨α1變化而變化，通流部分各級(jí)的速度比偏離原設(shè)計(jì)最佳速度比，動(dòng)能損失較大。雷諾數(shù)的變化會(huì)使摩擦因數(shù)變大，摩擦損失也相應(yīng)增加，但增幅較小。在表面粗糙的影響下，高壓缸各級(jí)總損失明顯增加，有效能減少，高壓缸各級(jí)的功率損失和效率損失明顯變大。

同理，對(duì)于中壓缸來說，由于是中間再熱機(jī)組，其入口處蒸汽的溫度和高壓缸入口處蒸汽溫度一致，但其壓力偏低，通流面積較大。在通流部分表面粗糙度一致的情況下，中壓缸內(nèi)總的損失增加，但增幅不大。中壓缸各級(jí)的功率損失和效率損失也相對(duì)較小。低壓缸缸內(nèi)蒸汽的溫度和壓力均偏低，但由于該機(jī)組有4個(gè)低壓缸且葉片較長，其通流面積較大，摩擦損失明顯增加，動(dòng)能損失略微增加，總的損失增多。但在低壓缸的末級(jí)，由于蒸汽濕度大、流速低，表面粗糙度的變化對(duì)其性能的影響較小。

3 結(jié)論

隨著機(jī)組向高參數(shù)、大容量方向的發(fā)展，通流部分各級(jí)的性能對(duì)其表面粗糙度的變化變得尤為敏感，特別是超(超)臨界機(jī)組的高壓缸部分，即使其表面粗糙度變化較小，也會(huì)對(duì)高壓缸各級(jí)的功率和效率產(chǎn)生較大影響，因此，關(guān)于表面粗糙度對(duì)機(jī)組性能影響的研究變得尤為重要，且其相關(guān)研究對(duì)汽輪機(jī)制造方、發(fā)電企業(yè)以及檢修部門具有一定的指導(dǎo)意義。

(1)對(duì)于汽輪機(jī)制造方，應(yīng)提高制造工藝，要盡可能保證通流部分表面光滑且使通流部分表面不容易發(fā)生腐蝕。

(2)對(duì)于發(fā)電企業(yè)來說，在機(jī)組運(yùn)行時(shí)，要更加關(guān)注給水品質(zhì)、水中含氧量等問題，以避免因蒸汽品質(zhì)變差所帶來的結(jié)垢、腐蝕、磨損等問題，從而延緩汽輪機(jī)通流部分表面變粗糙現(xiàn)象的發(fā)生。

(3)為發(fā)電廠檢修部門提供了評(píng)估檢修效果好壞的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。在對(duì)汽輪機(jī)通流部分進(jìn)行檢修時(shí)，可通過測(cè)量檢修后汽輪機(jī)通流部分表面粗糙度的大小，計(jì)算出通流部分各級(jí)的功率損失和效率損失變化的大小，從而評(píng)估其檢修效果的好壞。相關(guān)研究中表面粗糙度的測(cè)量和計(jì)算均在通流部分表面粗糙程度均勻這一假設(shè)下進(jìn)行，通過觀察和比較，估算出通流部分表面粗糙度的大小。與實(shí)際情況相比，表面粗糙度的測(cè)量和計(jì)算存有較大誤差，因此，尋找更準(zhǔn)確的測(cè)量和計(jì)算表面粗糙度的方法，建立更準(zhǔn)確的關(guān)于表面粗糙對(duì)通流部分性能影響的數(shù)學(xué)模型是今后研究的方向。

［1］Jeffrey P Bons，JP Taylor．The Many Faces of Turbine Surface Roughness［C］．New Orleans:Proc．of ASME Turbo Expo，2001．

［2］謝軍星．電站汽輪機(jī)通流部分故障分析與應(yīng)用研究［D］．北京:華北電力大學(xué)，2010．

［3］Awatef AHamed，Widen Tabakoff．Turbine Blade Surface Deterioration by Erosion［J］．Journal of Turbo Machinery，2005，127(7):445 －452．

［4］V T Forster，B Sc，C Eng，et al．Performance Loss of Modern Steam-turbine PlantDue to Surface Roughness［C］．London:Proc．Instrn．Mech Engrs，1967．

［5］J Jeff Butler．Rough Nozzle Surfaces Hurt Turbine Performance［J］．Power Engineering，1997(3):31 －35．

［6］Encotech．Surface Finish and Deposits［DB］．Technical Documents of Encotech，1989(10):22 －26．