電站燃氣輪機軸流式壓氣機的旋轉(zhuǎn)失速和喘振現(xiàn)象培訓教材

電站燃氣輪機軸流式壓氣機的旋轉(zhuǎn)失速和喘振現(xiàn)象培訓教材在壓氣機中發(fā)生旋轉(zhuǎn)失速和喘振現(xiàn)象的原因當我們研究壓氣機的特性曲線時已經(jīng)指出：在壓氣機特性曲線的左側(cè)，有一條喘振邊界線。假如流經(jīng)壓氣機的空氣流量減小到一定程度，而使運行工況點進入了喘振邊界線的左側(cè)區(qū)，那么，整臺壓氣機的工作就不能穩(wěn)定。那時，空氣流量會忽大忽小；壓力會時高時低，甚至會出現(xiàn)氣流由壓氣機倒流到外界大氣中去的現(xiàn)象，同時還會發(fā)生巨大的聲響，使機組伴隨有強烈的振動。這種現(xiàn)象通稱為喘振現(xiàn)象。在機組的實際運行中，決不能允許壓氣機在喘振工況下工作。那么，喘振現(xiàn)象究竟是整樣產(chǎn)生的呢？通常認為：喘振現(xiàn)象的發(fā)生總是與壓氣機通流部分中出現(xiàn)的氣流脫離現(xiàn)象有密切關系。圖3-27上給出了在軸流式壓氣機流道中，發(fā)生氣流脫離現(xiàn)象時的物理模型。a)Gv>Gv0時b)Gv<Gv0(設計值)時圖3-27當空氣的容積流量偏離設計時，在動葉和靜葉流道中發(fā)生的氣流脫離現(xiàn)象我們知道：當壓氣機在設計工況下運行時，氣流進入工作葉柵時的沖角接近于零。但是當空氣體積流量增大時(參見圖3-27a)，氣流的軸向速度c1a就要加大。假如壓氣機的轉(zhuǎn)速ny恒定不變，那么β1和α2角就會增大，由此產(chǎn)生了負沖角(i<0)。當空氣體積流量繼續(xù)增大，而使負沖角加大到一定程度，在葉片的內(nèi)弧面上就會發(fā)生氣流邊界層的局部脫離現(xiàn)象。但是，這個脫離區(qū)不會繼續(xù)發(fā)展。這是由于當氣流沿著葉片的內(nèi)弧側(cè)流動時，在慣性力的作用下，氣體的脫離區(qū)會朝著葉片的內(nèi)弧面方向擠攏和靠近，因而可以防止脫離區(qū)的進一步發(fā)展。此外，在負沖角的工況下，壓氣機的級壓縮比有所減小，在那時，即使產(chǎn)生了氣流的局部脫離區(qū)，也不至于發(fā)展形成氣流的倒流現(xiàn)象?？墒牵斄鹘?jīng)工作葉柵的空氣體積流量減小時(參見圖3-27b)，情況將完全相反了。那時，氣流的β1和α2角都會減小。然而，當β1和α2角減小到一定程度后，就會在葉片的背弧側(cè)產(chǎn)生氣流邊界層的脫離現(xiàn)象。只要這種脫離現(xiàn)象一出現(xiàn)，脫離區(qū)就有不斷發(fā)展擴大的趨勢。這是由于當氣流沿著葉片的背弧面流動時，在慣性力的作用下，存在著一種使氣流離開葉片的背面而分離出去的自然傾向。此外，在正沖角的工況下，壓氣機的級壓比會增高，因而，當氣流發(fā)生較大的脫離時，氣流就會朝著葉柵的進氣方向倒流，這就為發(fā)生喘振現(xiàn)象提供了前提。試驗表明：在葉片較長的壓氣機中，氣流的脫離現(xiàn)象多半發(fā)生在葉高方向的局部范圍內(nèi)(例如葉片的頂部)。但是在葉片較短的級中，氣流的脫離現(xiàn)象卻有可能在整個葉片的高度上同時發(fā)生。應該指出：上述的氣流脫離現(xiàn)象往往并不是在壓氣機工作葉柵的整圈范圍內(nèi)同時發(fā)生的。研究表明：在環(huán)形葉柵的整圈流道內(nèi)，可以同時產(chǎn)生幾個比較大的脫離區(qū)，而這些脫離區(qū)的寬度只不過涉及到一個或幾個葉片的通道。而且，這些脫離區(qū)并不是固定不動的，它們將圍繞壓氣機工作葉輪的軸線，沿著葉輪的旋轉(zhuǎn)方向，以低于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度，連續(xù)地旋轉(zhuǎn)著。因而這種脫離現(xiàn)象又稱為旋轉(zhuǎn)脫離(旋轉(zhuǎn)失速)。那么，這種旋轉(zhuǎn)脫離現(xiàn)象是怎樣產(chǎn)生的呢？這個問題可以用圖3-28所示的情況來說明。當時，壓氣機的動葉柵正以速度u朝右側(cè)方向移動。假如由于空氣體積流量的減少，在葉片2的背弧面上首先出現(xiàn)了氣流的強烈脫離現(xiàn)象，可以設想：當時，處于葉片2和3之間的那個通道就會部分地、或是全部地被脫離氣流所堵塞。這樣就會在這個通道的進口部分。形成一個氣流停滯區(qū)(或稱低速區(qū))，它將迫使位于停滯區(qū)附近的氣流，逐漸改變其原有的流動方向，即：使位于停滯區(qū)右邊的那些氣流的沖角減小，因而葉片1的繞流情況得到改善，氣流的脫離現(xiàn)象將逐漸消失；同時使位于停滯區(qū)左邊的那些氣流的沖角加大，從而促使在葉片3的背弧側(cè)開始發(fā)生氣流的脫離現(xiàn)象。由此可見，氣流的脫離區(qū)并不是恒定地固定在一個葉片上的，它會以某一個與動葉柵的運動方向相反的速度u′，從右側(cè)朝左側(cè)方向逐漸轉(zhuǎn)移。試驗表明：脫離區(qū)的轉(zhuǎn)移速度u′一般要比動葉柵的圓周速度u低50%-70%。因此，在地面上當人們觀察這個脫離區(qū)時將發(fā)現(xiàn)：它會以一個比壓氣機工作轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速ny低得多的旋轉(zhuǎn)速度，沿著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向連續(xù)地旋轉(zhuǎn)著。這種旋轉(zhuǎn)脫離現(xiàn)象無論在單級壓氣機中，或是在多級壓氣機中都會發(fā)生。只要這種現(xiàn)象一旦出現(xiàn)，就會導致壓氣機級后的空氣流量和壓力，同時發(fā)生一定程度的波動。圖3-28壓氣機動葉柵中的旋轉(zhuǎn)脫流現(xiàn)象圖3-29漸進失速級的特性線實驗發(fā)現(xiàn)：旋轉(zhuǎn)脫離(失速)可以分為兩類。如果在失速的運行區(qū)域內(nèi)，壓氣機的特性曲線是連續(xù)的，這類現(xiàn)象稱為漸進失速，如圖3-29所示。漸進失速意味著：隨空氣流量的減少，失速區(qū)的數(shù)目增多，氣流受停滯的面積逐漸擴大。一般在小輪轂比的級中，當流量降低到小于失速值時，常在葉片的一端出現(xiàn)幾個失速區(qū)，它們的位置在葉片環(huán)形面積上是對稱分布的，失速區(qū)的傳播速度也是恒定的。當流量進一步減小時，失速區(qū)在徑向和周向擴大，失速區(qū)的數(shù)目也逐漸增多。通常，失速區(qū)的數(shù)目在1-12個范圍內(nèi)。另一類失速稱為突變失速，它常發(fā)生在大輪轂比的級中。那時，沿全部葉片高度方向幾乎同時出現(xiàn)失速現(xiàn)象，并且迅速擴展成占圓周1/2-1/3的大失速區(qū)。失速區(qū)的數(shù)目一般只有1-2個。圖3-30突變失速級的特性曲線圖3-30中給出了突變失速級的特性曲線。那時級的特性曲線是不連續(xù)的。當空氣流量降低到圖3-30中的A點以下時，首先開始出現(xiàn)局部失速，這時級的壓縮比開始下降。當流量進一步減小，在B點出現(xiàn)突變失速時，壓氣機的工作點就會從B點跳到C點，那時，級的壓縮比急劇地下降，使等速線間斷，并明顯地分為不連續(xù)的兩個區(qū)段。倘若進一步減少流量，失速區(qū)將擴大，級的壓縮比繼續(xù)下降。流量和壓縮比的脈動幅度也都會增高。如果這時開始增大流量，那么達到C點的流量后，失速區(qū)仍將相對地保持穩(wěn)定，旋轉(zhuǎn)失速并不消除，而是要到流量增加到D時，旋轉(zhuǎn)失速特性線上段的A點上去，重新恢復穩(wěn)定工作。由于在這種失速條件下沿全葉高方向幾乎同時出現(xiàn)強烈的氣流脈動，因此，葉片受到的激振力要比漸進型大得多。所以突變失速是一種更加危險的不穩(wěn)定狀態(tài)。圖3-30突變失速級的特性曲線總的來說，當壓氣機在低轉(zhuǎn)速區(qū)工作時，經(jīng)常會出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)失速現(xiàn)象。它最嚴重的后果是會使葉片損壞，從而有可能使整臺壓氣機破壞。通過以上分析可以看清：氣流脫離現(xiàn)象(失速)是壓氣機工作過程中有可能出現(xiàn)的一種特殊的內(nèi)部流動形態(tài)。只有當空氣體積流量減少到一定程度后，氣流的正沖角就會加大到某個臨界值，以致在壓氣機葉柵中，迫使氣流產(chǎn)生強烈的旋轉(zhuǎn)失速流動。嚴格地講，失速的分類知識對單級壓氣機是合適的。在多級壓氣機中往往兩類失速現(xiàn)象共存。通常，在多級壓氣機中使用全臺失速的概念，其含義是指多級壓氣機的性能有類似于單級壓氣機中突變失速那樣的不連續(xù)特性。但是必須注意，假如在壓氣機通流部分中產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)失速比較微弱，那么，壓氣機并不一定就會馬上進入喘振工況。只有當體積流量繼續(xù)減小，致使旋轉(zhuǎn)失速進一步發(fā)展后，在整臺壓氣機中才能出現(xiàn)不穩(wěn)定的喘振現(xiàn)象。那時，壓氣機的流量和壓力就會發(fā)生大幅度的、低頻的周期性波動，并伴隨有風嘯似的喘振聲，甚至有空氣從壓氣機倒流到大氣中去。在這種情況下壓氣機就不能正常工作。圖3-31中給出了壓氣機在喘振工況下所發(fā)生的壓力和速度的波動示例，可以說明問題。a)壓氣機的正常運行情況b)喘振工況p-壓力pp-平均壓力c-速度圖3-31壓氣機在喘振工況下壓力和速度的波動情況1-壓氣機1-壓氣機2-工作系統(tǒng)(容器)3-閥門圖3-32壓氣機的工作系統(tǒng)簡圖總之，在壓氣機中出現(xiàn)的喘振現(xiàn)象是一種比較復雜的流動過程，它的發(fā)生是以壓氣機通流部分中產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)失速現(xiàn)象為前提的，但也與壓氣機后面的工作系統(tǒng)有關。試驗表明：工作系統(tǒng)的體積越大，喘振時空氣流量和壓力的震蕩周期就越長，而且對于同一臺壓氣機來說，如果與它配合進行工作的系統(tǒng)不同，那么，在整個系統(tǒng)中發(fā)生的喘振現(xiàn)象也就不一樣。喘振對壓氣機有極大的破壞性。出現(xiàn)喘振時，壓氣機的轉(zhuǎn)速和功率都不穩(wěn)定，整臺發(fā)動機都會出現(xiàn)強烈的振動，并伴有突發(fā)的、低沉的氣流轟鳴聲，有時會使發(fā)動機熄火停車。倘若喘振狀態(tài)下的工作時間過長，壓氣機和燃氣透平葉片以及燃燒室的部件都有可能因振動和高溫而損壞，所以在燃氣輪機的工作過程中決不允許出現(xiàn)壓氣機的喘振工況。最后應該指出：喘振和旋轉(zhuǎn)失速是兩種完全不同的氣流脈動現(xiàn)象。喘振時通過壓氣機的流量會出現(xiàn)較大幅度的脈動。而旋轉(zhuǎn)失速則是一種繞壓氣機軸旋轉(zhuǎn)的低流量區(qū)，那時通過壓氣機的平均流量是不變的。研究表明：當壓氣機在低于設計轉(zhuǎn)速ny0的情況下工作時，在壓氣機的前幾級中將會出現(xiàn)較大的正沖角，而后幾級中卻會形成負沖角。因而當空氣流量降低到某個極限時，在壓氣機中容易發(fā)生因前幾級出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)失速而導致的喘振現(xiàn)象。反之，當壓氣機的前幾級在高于設計轉(zhuǎn)速ny0情況工作知，壓氣機的后幾級中則會發(fā)生正沖角，那時喘振現(xiàn)象多半是由于發(fā)生在后幾級中的旋轉(zhuǎn)失速現(xiàn)象引起的。最后，對壓氣機的喘振現(xiàn)象可以歸納出以下幾點看法，以便加深認識。級壓縮比越高的壓氣機、或者是總壓縮比越高和級數(shù)越多的壓氣機，就越容易發(fā)生喘振現(xiàn)象。這是由于在這種壓氣機的葉柵中，氣流的擴壓程度比較大，因而也就容易使氣流生產(chǎn)脫離(失速)現(xiàn)象。多級軸流式壓氣機的喘振邊界線不一定是一條平滑的曲線，而往往可能是一條折線。據(jù)分析認為：其原因可能是由于在不同的轉(zhuǎn)速工況下，進入喘振工況的級并不相同的緣故。在多級軸流式壓氣機中，因最后幾級氣流的旋轉(zhuǎn)失速而引起的喘振現(xiàn)象會更加危險，因為那時機組的負荷一定很高，而這些級的葉片又比較短，氣流的失速現(xiàn)象很可能在整個葉高范圍內(nèi)發(fā)生，再加上當?shù)氐膲毫τ指?，壓力的波動比較厲害，因而氣流的大幅度脈動就會對機組產(chǎn)生非常嚴重的影響。進排氣口的氣流流動不均勻的壓氣機就越容易發(fā)生喘振現(xiàn)象。防止在壓氣機中發(fā)生喘振現(xiàn)象的措施概括來說，目前防止發(fā)生喘振現(xiàn)象的措施有五個方面，即(1)在計壓氣機時應合理選擇各級之間流量系數(shù)Φ=ca/u的配合關系，力求擴大壓氣機的穩(wěn)定工作范圍。很明顯，隨著流量系數(shù)值的減小，氣流的正沖角將增大，壓氣機級會逐漸趨近于喘振工況。當達到某個極限值φ1時，在壓氣機的級中就會產(chǎn)生強烈的氣流脫離現(xiàn)象，以致進入喘振區(qū)。由于在低速工況下，壓氣機的前幾級最容易發(fā)生喘振，因而在設計那種需要經(jīng)常在低于設計轉(zhuǎn)速工況下運行的壓氣機時，就應該把壓氣機前幾級的流量系數(shù)選得大些，也就是說，這些級的外加功量應該取得小些，這樣就能保證壓氣機前幾級不容易進入喘振工況。反之，在設計轉(zhuǎn)速恒定不變的壓氣機，或者運轉(zhuǎn)速度允許比設計轉(zhuǎn)速稍微高一些的壓氣機時，人們就應該把這類壓氣機的后幾級流量系數(shù)選得大些，以擴大后面幾級葉柵的穩(wěn)定工作范圍。(2)在軸流式壓氣機的第一級，或者前面若干級中，裝設可轉(zhuǎn)導葉的防喘措施。為什么這種措施能夠起到防喘振的作用呢？這個問題很容易從圖3-33中獲得解釋。a)導葉安裝角γp恒定不動的情況b)入口導葉可旋轉(zhuǎn)的情況圖3-33壓氣機入口導葉恒定不動和可以旋轉(zhuǎn)時，氣流速度三角形的變化情況圖3-33a中表示出了：當壓氣機采用固定導葉時，在壓氣機第一級動葉前，由于空氣流量的改變而引起了氣流速度三角形的變化關系。那時，氣流流進動葉時的絕對速度：c1、c1′、c1″的方向?qū)嶋H上是不變的。因此，當動葉的圓周速度u恒定不變時，或者是當氣流的軸向速度c2與圓周速度u不能按照同一個比例關系進行變化時，那么，氣流流進動葉時的沖角i就要發(fā)生變化。圖3-33a中的①表示出了：在設計工況下，氣流進入動葉時的流動情況，那時，進氣沖角i=0；②表示出了：空氣流量大于設計值時，或者是氣流軸向速度的增長率大于圓周速度增長率時(反之，當軸向速度的減小率小于圓周速度的減小率時)氣流的流動情況，那時將產(chǎn)生負沖角(i<0)；③則表示出了：空氣流量小于設計值時，或者是氣流軸向速度的增長率小于圓周速度的增長率時(反之，當軸向速度的減小率大于圓周速度的減小率時)氣流的流動狀況——這種情況正是燃氣輪機啟動時，在壓氣機中經(jīng)常遇到的狀況，那時，將產(chǎn)生正沖角(i>0)。由此可見，在低轉(zhuǎn)速情況下，壓氣機的前幾級是很容易進入喘振工況的。從圖3-33b中可以清楚地看出壓氣機入口可轉(zhuǎn)導葉的作用。當流進壓氣機的空氣流量發(fā)生變化時，我們可以關小或開大可轉(zhuǎn)導葉的安裝角γp，使氣流絕對速度：c1、c1′和c1″的方向發(fā)生變化，這樣就能保證氣流進入動葉時的相對速度：w1、w1′、w1″的方向恒定不變。由此可見，在變工況條件下，當壓氣機中出現(xiàn)了軸向速度與圓周速度的配合關系如圖3-33a中③那樣的情況時，我們只要把壓氣機導向葉片的安裝角γp關小，就能減小或消除氣流進入動葉時的正沖角，從而達到防喘的目的。由于在低轉(zhuǎn)速工況下，壓氣機的前幾級最容易進入喘振工況，因而通常總是把壓氣機的第一級入口導葉，設計成為可以旋轉(zhuǎn)的。圖3-34中給出了在某臺20MW的燃氣輪機上采用的壓氣機第一級入口可轉(zhuǎn)導葉的示意圖。這時，在每一個可轉(zhuǎn)導葉的頂部都安裝了一個小齒輪，旋轉(zhuǎn)這些小齒輪就可以改變?nèi)肟趯~的安裝角。這些小齒輪的轉(zhuǎn)動則是依靠兩個半圓形的齒條來帶動的。而齒條的動作卻由專門設計的油動機來操縱。在這臺燃氣輪機中，當機組轉(zhuǎn)速升高到額定轉(zhuǎn)速n0的95%之前，第一級入口可轉(zhuǎn)導葉的安裝角將始終維持為γp=44°。但是，當機組轉(zhuǎn)速升高到95%n0時，帶動齒條動作的油動機，在液壓油的作用下，通過活塞和連桿的動作，可以使兩個半圓形的齒條旋轉(zhuǎn)一定角度。這樣，就可以把每個可轉(zhuǎn)導葉的安裝角γp，迅速地開到γp=80°的位置上去。此后，當機組進入正常運行狀態(tài)后，壓氣機第一級入口可轉(zhuǎn)導葉的安裝角將始終維持在γp=80°的位置上工作。只是當機組發(fā)出停機信號，并使轉(zhuǎn)速下降到87.5%n0時，才能再次通過油動機去推動半圓形齒條作反向旋轉(zhuǎn)運動，使壓氣機第一級入口可轉(zhuǎn)導葉的安裝角重新關小到γp=44°的位置上去。1-齒條2-齒輪圖3-34某臺燃氣輪機上采用的入口可轉(zhuǎn)導葉的示意圖圖3-35在轉(zhuǎn)速恒定不變的情況下，導葉的安裝角改變時，壓圖3-35在轉(zhuǎn)速恒定不變的情況下，導葉的安裝角改變時，壓氣機特性曲線的變化關系顯然，這個措施的效應可以在壓氣機的特性曲線上得到反映，如圖3-35所示。從圖中可以看出：當導向葉片的安裝角減小時，壓氣機的特性曲線就會向左上方移動。這正意味著壓氣機的喘振邊界線將朝著流量減小的方向變動，這對于擴大壓氣機的穩(wěn)定工況范圍是很有利的。還應該指出：在燃氣輪機起動時，關小壓氣機入口導葉安裝角的措施，對于減小機組的起動功率也是有好處的，這是由于在這種情況下，流進壓氣機的空氣流量將會大大減少的緣故。在壓氣機通流部分的某一個或若干個截面上，安裝防喘放氣閥的措施。鑒于機組在起動工況和低轉(zhuǎn)速工況下，流經(jīng)壓氣機前幾級的空氣流量過少，以致會發(fā)生較大的正沖角，而使壓氣機進入喘振工況，于是人們就設想出在容易進入喘振工況的某些級的后面，開啟一個或幾個旁通放氣閥，迫使大量空氣流過放氣閥之前的那些級，那么就有可能避免在這些級中產(chǎn)生過大的正沖角，從而達到防喘的目的。圖3-36中給出了在一臺多級軸流式壓氣機上裝設防喘放氣閥的示意圖。圖3-36多級軸流式壓氣機上的防喘放氣閥當然，選擇防喘放氣閥的安裝位置甚為重要。實踐表明：把防喘放氣閥安裝在壓氣機的最前幾級，并不能獲得很好的效果。假如把它們安裝在壓氣機的最后幾級，甚至于是安裝在壓氣機后的排氣管道上，對于擴大壓氣機的穩(wěn)定工作范圍雖有好處，但是由于放氣壓力很高，由旁通放氣閥排出的空氣所帶走的能量損失就很大。因此，人們總是愿意把防喘放氣閥分布在壓氣機通流部分的若干截面上。這樣，既能改善那些流動情況最為惡劣的壓氣機級的工作條件，又能使放氣能量不至于太大。在PG5331燃氣輪機上，為了防止機組在起動過程中進入喘振工況，除了采取可轉(zhuǎn)導葉的措施外，還在壓氣機第10級后面的抽氣管路上，安裝了兩個防喘放氣閥。從機組的起動瞬間開始，一直到機組轉(zhuǎn)速升高到95%n0之前，這兩個防喘放氣閥將始終開啟著。只是當機組轉(zhuǎn)速超過95%n0以后，這兩個閥門才被關閉。很明顯，防喘放氣閥打開時，燃氣輪機的運行線將遠離壓氣機的喘振邊界線。圖3-37選擇機組運行點時對防喘安全裕量的考慮圖3-37選擇機組運行點時對防喘安全裕量的考慮實踐表明；對于特性曲線已經(jīng)設計確定了的壓氣機來說，假如能使機組在滿負荷工況下的運行點(參見圖3-37)，離壓氣機的喘振邊界線有一定的安全裕量，即那么，機組在滿負荷工況時，就不會發(fā)生喘振現(xiàn)象，在設計和運行機組時，必須考慮這個原則。1-低壓壓氣機1-低壓壓氣機2-高壓壓氣機3-燃燒室4-高壓透平5-負荷6-低壓透平圖3-38雙軸(轉(zhuǎn)子)燃氣輪機方案圖3-38中給出了這種方案的示意圖。在這種方案中高壓壓氣機的轉(zhuǎn)速是恒定不變的，而低壓壓氣機的轉(zhuǎn)速將隨負荷的降低而下降。如前所述：一臺多級軸流式壓氣機，當其轉(zhuǎn)速低于設計值時，在壓氣機的前幾級中將會產(chǎn)生較大的正沖角，因而容易進入喘振工況。那時，整臺壓氣機中氣流的沖角偏離設計值的情況如圖3-39a所示。a)單軸(轉(zhuǎn)子)壓氣機內(nèi)各級間沖角的變化關系b)雙軸(轉(zhuǎn)子)壓氣機內(nèi)各級沖角的變化關系圖3-39