一种汽轮机、水膜主动吹扫式汽轮机静叶片及其吹扫控制方法

摘要

本发明公开了一种汽轮机、水膜主动吹扫式汽轮机静叶片及其吹扫控制方法，包括：叶片本体；所述叶片本体内设置有空腔；所述叶片本体的吸力面设置有若干吸力面通孔，所述叶片本体的压力面设置有若干压力面通孔；所述若干吸力面通孔及所述若干压力面通孔均与所述空腔相连通；所述空腔设置有进气口，用于与外部吹扫气源相连通。本发明采用主动吹扫的方式进行除湿，能够保证叶片空腔内的压力高于叶片外表面流域压力，从而不会由于压力面及吸力面的压力差而产生水膜串流；本发明采用主动吹扫方式进行除湿，能够吹扫较小形状的液滴，除湿效率更高。

说明书

技术领域

本发明属于汽轮机静叶片除湿技术领域，特别涉及一种汽轮机、水膜主动吹扫式汽轮机静叶片及其吹扫控制方法。

背景技术

水蚀是汽轮机湿蒸汽级动叶片上极易发生的一种现象，具体为：蒸汽膨胀做功后，若越过饱和线，会有水滴凝结析出增加级内湿度，而汽轮机内部湿度过大会导致叶片受到液滴冲击破坏。水蚀会严重降低叶片的流动效率，同时削弱叶片基体，产生裂纹源，危害叶片可靠性，甚至引起断裂等事故。为减弱或防止水蚀现象采用的措施包括：动叶片采用防水蚀工艺处理及静叶片设置除湿结构等。

其中，现有的静叶片除湿结构原理为：在静叶片表面开一排除湿槽，利用流场压力差被动抽吸水膜；基于上述原理的技术方案存在以下问题：被动抽吸由于压力面及吸力面存在压差会产生水膜串流，除湿效率低；部分冲击末级动叶的液滴可能在静叶处形状较小，难以被动抽吸除湿。

发明内容

本发明的目的在于提供一种汽轮机、水膜主动吹扫式汽轮机静叶片及其吹扫控制方法，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本发明，不会产生水膜串流，除湿效率较高；能够除去较小形状的液滴。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种水膜主动吹扫式汽轮机静叶片，包括：叶片本体；所述叶片本体内设置有空腔；所述叶片本体的吸力面设置有若干吸力面通孔，所述叶片本体的压力面设置有若干压力面通孔；所述若干吸力面通孔及所述若干压力面通孔均与所述空腔相连通；所述空腔设置有进气口，用于与外部吹扫气源相连通。

本发明的进一步改进在于，所述吸力面通孔的方向与叶片本体的吸力面表面工质流向不同；所述压力面通孔的方向与叶片本体的压力面表面工质流向不同；其中，所述吸力面通孔的方向及所述压力面通孔的方向均为由空腔指向流体域的方向。

本发明的进一步改进在于，所述吸力面通孔的方向与所述叶片本体的吸力面表面工质流向逆向；所述压力面通孔的方向与所述叶片本体的压力面表面工质流向逆向；所述若干吸力面通孔沿所述叶片本体的外弧布置，所述若干压力面通孔沿所述叶片本体的内弧布置。

本发明的进一步改进在于，还包括：输气管道及控制阀；所述输气管道安装于所述叶片本体的进气口；所述输气管道上设置有控制阀，所述控制阀通过调整开度能够控制吹扫流量。

一种汽轮机，包括：本发明任一项上述的水膜主动吹扫式汽轮机静叶片。

本发明的进一步改进在于，包括：储气罐、控制阀、末级静叶片、末级动叶片和汽轮机转子；末级静叶片为本发明任一项上述的水膜主动吹扫式汽轮机静叶片；所述叶片本体的进气口通过输气管道与上所述储气罐的出气口相连通，所述输气管道上安装有控制阀。

本发明的进一步改进在于，还包括：

温度传感器，用于测量所述叶片本体的外表面工质温度；

压力传感器，用于测量所述叶片本体的外表面工质压力；

处理器，用于根据测量的外表面工质温度和外表面工质压力，得出控制指令，根据控制指令调节控制阀的阀门开度，控制吹扫流量；

得出指令的具体步骤包括：根据外表面工质温度和外表面工质压力，计算获得汽轮机的流量；然后确定末级叶片工作区域所处的工质特性，若已穿越饱和线，则开启控制阀进行主动吹扫；控制阀的阀门开度根据计算获得的汽轮机变工况流量确定。

本发明的进一步改进在于，所述温度传感器和所述压力传感器均为探头式传感器。

一种本发明上述的水膜主动吹扫式汽轮机静叶片的吹扫控制方法，包括：

安装水膜主动吹扫式汽轮机静叶片的汽轮机处于设计工况时：不向空腔通入气体；或向空腔通入气体，并维持空腔内压力与叶片本体表面压力平衡，使得压力面通孔和吸力面通孔不会泄露工质；

安装水膜主动吹扫式汽轮机静叶片的汽轮机处于变工况时：向空腔通入气体，使空腔内压力高于叶片本体表面压力，通过压力面通孔和吸力面通孔实现叶片本体表面的液滴吹扫。

其中，当安装水膜主动吹扫式汽轮机静叶片的汽轮机处于变工况时，输入汽轮机的温度、压力分别为：T_in,off、P_in,off；

汽轮机变工况效率的计算公式为：

汽轮机变工况流量的计算公式为：

式中：

式中，η—效率；m—质量流量；ρ—工质密度；下标off—变工况下的数据；下标d—设计工况下的数据；下标in—进口数据参数；

根据汽轮机变工况效率及汽轮机变工况流量计算出汽轮机排汽的温度及压力为：T_out,off、P_out,off；确定末级叶片工作区域所处的工质特性，若已穿越饱和线，则开启控制阀进行主动吹扫；控制阀的阀门开度根据计算获得的汽轮机变工况流量确定。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明的水膜主动吹扫式汽轮机静叶片，包括空腔、叶片本体、若干压力面通孔和若干吸力面通孔，通过向空腔内通入一定预设压力的吹扫气体，可实现水膜主动吹扫；不会产生水膜串流，除湿效率较高；本发明能够除去较小形状的液滴。具体的，本发明由于采用主动吹扫的方式进行除湿，能够保证叶片空腔内的压力高于叶片外表面流域压力，从而不会由于压力面及吸力面的压力差而产生水膜串流；传统的被动除湿需要液滴已经形成并具有流动性，本发明采用主动吹扫方式进行除湿，能够吹扫较小形状的液滴，除湿效率更高。

进一步地，在汽轮机运行正常、末级叶片附近湿蒸汽较低时，被动抽吸容易吸附工质，造成不必要的损失。本发明中，叶片吹扫时，气流由空腔内部吹向叶片表面，气流方向与工质流动方向一致，能够在最大限度保证工质流动的前提下提升吹扫效果；叶片不需吹扫，空腔内压力低于叶片外表面压力，压力差方向指向空腔，但由于通孔方向与工质流动流动方向不一致，能够较大程度地避免工质损失。

进一步地，现有的被动抽吸方式，除湿区受限于槽空间尺寸大小，被动抽吸难以发挥对其他区域的除湿作用；本发明通过气体的主动吹扫，能够对通孔下流域的液滴进行吹扫，从而提升了吹扫除湿的效果。

本发明的控制方法，能够针对汽轮机的变工况进行叶片防水蚀动态调控，既能够有效避免叶片水蚀，又能够较高程度地防止工质泄露出正常流场，保证汽轮机的效率及功率。本发明相对现有技术更为智能，防水蚀效果好且能够保障汽轮机正常工作。具体体现在：(1)本发明的控制方法，能够实现变工况时的主动吹扫除湿，降低叶片水蚀风险，同时保证气体不会破坏流场，干扰汽轮机运行；(2)本发明的控制方法，可以实现在正常工况下阻止工质流入空腔，较大程度上避免静叶片通孔带来的不利效果；(3)基于本发明的叶片，能够较好地实现所述控制方法的吹扫，通孔设置方式能够使得吹扫方向沿流动方向，降低扰流程度，同时这种设置方式也能够降低非吹扫时期的工质泄入空腔，保障通流效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍；显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例的一种水膜主动吹扫式汽轮机静叶片的结构示意图；

图2是本发明实施例的一种水膜主动吹扫式汽轮机静叶片的开孔示意图；

图3是本发明实施例的一种应用水膜主动吹扫式汽轮机静叶片的汽轮机系统的结构示意图；

图1至图3中，1、高压储气罐；2、控制阀；3、末级静叶片；4、末级动叶片；5、汽轮机转子；6、气缸内流域；

31、叶片本体；32、第一吸力面通孔；33、第二吸力面通孔34、压力面通孔；35、空腔；36、进气口。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术效果及技术方案更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例。基于本发明公开的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它实施例，都应属于本发明保护的范围。

请参阅图1和图2，为了解决现有汽轮机末级静叶片除湿结构存在的问题，保障汽轮发电机组安全运行，本发明实施例的一种水膜主动吹扫式汽轮机静叶片，包括：叶片本体31；

叶片本体31的外弧面为吸力面，内弧面为压力面；叶片本体31的吸力面设置有若干吸力面通孔，叶片本体31的压力面设置有若干压力面通孔34；叶片本体31内设置有空腔35；空腔35的进气口36与外部的高压气源相连通，吸力面通孔和压力面通孔34与空腔35相连通。具体的，沿叶片本体31的外弧处设置多个吸力面通孔，如第一吸力面通孔32和第二吸力面通孔33，沿叶片本体31的内弧处设置多个压力面通孔34，通孔的轴向宽度均为2.5mm左右，空腔35与叶片表面间距由叶高决定，需保证叶片强度需求，此外，通孔设置数量与排列方式均可灵活调整，原则为叶片强度需求与覆盖面积最大化。

优选的，吸力面通孔方向与吸力面表面工质流向逆向，压力面通孔34方向与压力面表面流体流向逆向；吸力面通孔及压力面通孔34的方向为由空腔35指向流体域的方向。

其中，外部的高压气源可选用高压储气罐1，叶片本体31内的空腔35的进气口36通过管道与高压储气罐1的出气口相连通，管道上设置有控制阀2，控制阀用于控制吹扫流量。

优选的，还包括温度传感器和压力传感器，温度传感器用于测量叶片本体31的外表面工质温度、压力传感器用于测量外表面工质压力；通过测量的外表面工质温度和外表面工质压力，调整控制阀2的阀门开度，进而控制吹扫量。

本发明的水膜主动吹扫式汽轮机静叶片，在叶片吹扫时，气流由空腔35内部吹向叶片表面，此时气流方向与工质流动方向一致，能够在最大限度保证工质流动的前提下提升吹扫效果；叶片不需吹扫，空腔35内压力低于叶片外表面压力，压力差方向指向空腔35，但由于通孔方向与工质流动流动方向不一致，能够较大程度地避免工质损失。

请参阅图3，本发明实施例的一种汽轮机系统，其末级静叶片3为本发明上述的水膜主动吹扫式汽轮机静叶片，具体包括：高压储气罐1、控制阀2、末级静叶片3、末级动叶片4、汽轮机转子5和气缸内流域6；高压储气罐1通过管道与末级静叶片3内的空腔35相连通，利用高压气体实现对静叶片的吹扫；管道上设置有控制阀2，用于控制吹扫流量。

控制方法实例如下：当汽轮机处于设计工况时，末级叶片工作区域湿度一般较低，无水蚀风险，不需要进行主动吹扫，控制阀2关闭，或开启后维持空腔35内压力与叶片本体31表面压力平衡，保证叶片所开通孔不会泄露工质。处于变工况时即需要吹扫时，打开控制阀2，此时高压气体由叶片本体31开孔吹出，吹扫静叶片表面的液滴，降低动叶片水蚀风险，保障汽轮机变工况运行安全稳定。

具体的，当汽轮机处于变工况时，输入汽轮机的温度及压力为：T_in,off、P_in,off。

利用公式(1)计算汽轮机变工况效率：

式中，η——效率；m——质量流量；ρ——工质密度；下标off——变工况下的数据；下标d——设计工况下的数据；下标in——进口数据参数。

利用公式(2)计算汽轮机变工况流量：

式中：

根据汽轮机变工况效率及汽轮机变工况流量计算出输入汽轮机的温度及压力为：T_out,off、P_out,off(排气压力假定未变)。

则可以通过以上参数确定末级叶片工作区域所处的工质特性，若已穿越饱和线，则需要进行主动吹扫，开启控制阀2门；控制阀2门的阀门开度即吹扫流量由所计算出的变工况流量决定，当变工况流量上升时，调大阀门开度，增加吹扫力度；而当变工况流量下降时，调小阀门开度，降低吹扫风量。

另外，当叶片空腔足够时，亦可设置温度传感器、压力传感器，实时测量静叶片表面温度、压力，判断工质工作区域并决定控制策略。

本发明的控制方式能够实现：叶片水蚀风险较低时，避免通孔因压力差抽吸工质降低汽轮机效率；叶片水蚀风险高时，静叶实时吹扫，破坏液滴结构，降低动叶片水蚀风险。

综上所述，本发明公开了一种基于变工况的水膜主动吹扫叶片及其控制方法，包括：高压储气罐、控制阀门、末级静叶片、末级动叶片、汽轮机转子和气缸内流域。高压储气罐通过控制阀直接与静叶片中的空腔相连通，在汽轮机叶片水蚀风险大利用高压气体实现对静叶片的吹扫；而在水蚀风险较少时，维持压力差或靠叶片结构降低通孔负效应，保障通流效率。采用本发明系统，能够很好地实现汽轮机叶片的防水蚀功能，同时避免了传统静叶除湿结构的负面效果。具体的，本发明能够针对汽轮机的变工况进行叶片防水蚀动态调控，既能够有效避免叶片水蚀，又能够较高程度地防止工质泄露出正常流场，保证汽轮机的效率及功率。本发明的叶片及控制方法相对现有技术更为智能，防水蚀效果好且能够保障汽轮机正常工作。具体优点如下：(1)本发明的控制方法，能够实现变工况时的主动吹扫除湿，降低叶片水蚀风险，同时保证气体不会破坏流场，干扰汽轮机运行；(2)本发明的控制方法，可以实现在正常工况下阻止工质流入空腔，较大程度上避免静叶片通孔带来的不利效果；(3)本发明的叶片，能够较好地实现所述控制方法的吹扫，通孔设置方式能够使得吹扫方向沿流动方向，降低扰流程度，同时这种设置方式也能够降低非吹扫时期的工质泄入空腔，保障通流效率。本发明提供了一种基于变工况的水膜主动吹扫叶片及其控制方法，能够实现汽轮机叶片的防水蚀功能。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。