汽轮机低压缸进汽道气动性能改进分析.pdf

王奇　孟德欣

[摘 要]随着环保要求越来越严格，对大功率汽轮机通流部分气动设计的要求也越来越高，特别是大功率汽轮机的高压进汽结构和低压排汽结构的气动设计和优化对于提高机组的气动效率和运行经济性具有非常重要的作用。本文对某型 汽轮机喷嘴配汽调节级全三维气动性能分析，并阐述了喷嘴配汽调节级结构优化设计。

[关键词]汽轮机；气动性能；优化设计

中图分类号：TK262 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）48-0250-01

汽轮机的高压进汽结构由于结构和运行方式的原因造成进汽和流动具有非轴对称和非周期性的特性，使得高压进汽结构的气动效率较低。因此正确理解和掌握汽轮机高压进汽结构的三维流场特性，尽可能地提高高压进汽结构的气动效率对于提高高压缸乃至整个机组性能具有至关重要。

一、喷嘴配汽调节级气动优化设计

采用全三维数值方法开展某型汽轮机喷嘴配汽调节级的高压进汽结构进行优化改进设计的工作，旨在降低制造加工和安装成本，提高设计工况和变工况的气动性能。主要内容是比较反流初始设计结构和顺流优化设计结构的高压进汽喷嘴配汽调节级的气动性能，优化喷嘴室过渡段，同时开展三维数值验证。某型汽轮机喷嘴配汽调节级的计算区域。计算区域包括三个部分：6个阀门腔室、126只静叶、102只动叶，以及套筒结构。汽流从6个管道的进口流入腔室，经过静叶的膨胀使速度提高，进入动叶做功。然后经过套筒的引导进入压力级继续做功。本研究中计算区域的范围是从调节阀出口到压力级第一级的进口。，阀门腔室的上半和下半成中心对称。

通过6个阀门腔室的几何模型及计算网格了解，其中阀门腔室和套筒计算区域均采用非结构化网格，为了更好地模拟边界层附近的流动，近壁面区做了局部加密，叶栅组采用结构化网格。总的计算节点达923万，单元数1922万。其中腔室区域的计算节点为100万，网格总体质量大于0.2。叶栅组总网格约607万，最小角度大于35度。套筒区域网格数约为216万，网格总体质量也大于0.2。图给出了顺流优化设计原形的计算区域和局部计算网格图。顺流结构也可以分为3个部分：6个阀门腔室、126只静叶、102只动叶，以及动叶出口延伸段。顺流优化设计原形结构的叶栅组的型线与反流结构相同。顺流优化设计原形结构的叶栅组的型线与反流结构相同。腔室和出口延伸段计算区域均采用非结构化网格，近壁面边界层区域采用结构化网格加密。总的计算节点数目是966万，各部分节点数目分别是：腔室區164万，叶栅组655万，出口延伸段147万。网格质量和反流结构相同。

某模型是基于IAPWSIF97工业标准。湍流模型为标准k-ε两方程模型。进口给定总温总压和速度方向，出口给定静压。为了保证动静叶界面的速度场连续，界面的处理采用FrozenRotor（冻结转子法）方法。动叶栅转速为3000r/min。随着阀门开度的减小，顺流设计原形结构的余速愈发大于反流初始设计结构的余速，造成较大的余速损失。反流初始设计结构的出口余速对变工况不敏感。因此优化设计应在顺流设计原形结构的基础上，集中在腔室和出口延伸段的型线光滑上。根据分析，我们在顺流优化设计原形的基础上对顺流结构进行了三次改进设计。其中改进结构I是将顺流原型的角落缩小，使得圆滑过渡；改进结构II是在I的基础之上进一步光滑了管道和腔室的过渡处，另外增大了腔室和喷嘴之间的距离；改进结构III是在II的基础上改变了腔室弯转处的半径。顺流结构原型和提出的三种改进方案的三维结构图。图给出了顺流优化设计III的高压进汽结构在4种工况下的静压等值线分布和三维流线图。可以看出，在不同阀门开启工况下，由于调节级的焓降较大，部分进汽对调节级叶栅内的流动影响较大，6阀全开和5阀全开工况，调节级叶栅内的流动的周向速度分量不大，流动在轴向占主要比例。但是在4阀全开和3阀全开工况下，调节级叶栅内的流动由于部分进汽度较低，汽流由于动叶的旋转将静叶与动叶间汽流带动并倒流进入不进汽的喷嘴组叶栅流道中，汽流速度发生强烈的搀混，同时汽流周向速度分量所占比例增加，流动损失相应增加。可以看出，顺流优化设计III在进汽管道和喷嘴组进汽腔室之间具有很好的过渡性，有效地提高了顺流优化设计III地气动效率，减少了流动损失（表1）。

表给出了反流初始设计、顺流设计原形和顺流优化设计III在4种工况下的相对效率比较。从表可以看出，顺流优化设计III具有优于反流初始设计的气动效率。比较了顺流设计原形与顺流优化设计III在4种工况下的流量比较。可以看出，顺流优化设计III相比与顺流设计原形在保证流量相等的条件下，具有更好的气动效率，满足针对300MW汽轮机高压进汽结构改进优化设计的目标。6阀全开工况条件下，采用优化设计III，相对于顺流设计原型，调节级的效率可提高1.2%；但在5阀全开工况时，顺流优化设计III的效率比原型的效率高0.56%；在4阀和3阀全开工况时，两种结构的性能十分接近。表给出了顺流结构原形与顺流优化设计III的腔室内总压损失比较。可以看出，顺流优化设计III相比于顺流设计原形的腔室具有较低的总压损失。但是反流初始设计的腔室中总压损失基本相同，说明从腔室内的总压损失看，改进结构III腔室内的总压损失基本与反流结构相近。

结论

1、对300MW汽轮机高压缸进汽整个调节级部分进行了详细地数值分析，对比反流初始设计和顺流设计的气动性能，并优化设计喷嘴室过渡段。采用三维数值分析软件ANSYSCFX对300MW汽轮机高压进汽腔室包括调节级的气动分析，从进汽口一直分析到第一级压力级前面，6个喷嘴室，整个调节级，分别开展了6阀全开、5阀全开、4阀全开和3阀全开等4种工况的计算分析，研究讨论了部分进汽造成的流动损失，给出了反流初始设计结构的流场形态和气动效率。

2、采用三维数值方法分析了顺流优化设计原形高压进汽腔室气动性能和流场特性，分别完成了6阀全开、5阀全开、4阀全开和3阀全开等4种工况的计算分析，研究结果表明：6阀全开工况下顺流设计的总效率要比反流设计的调节级效率高约1.8个百分点；5阀全开工况下两者效率相近；但4阀和3阀全开工况下反流结构效率要比顺流结构高1～2个百分点。这说明：反流结构的变工况特性要比顺流优化设计原形优良。

3、在顺流优化设计原形分析研究的基础上，提出了优化设计III型顺流结构，并对顺流优化设计III结构进行了详细地数值研究。研究结果表明：6阀全开工况条件下，采用顺流优化设计III，相对于顺流原型，调节级的效率可提高1.2%；但在5阀全开工况时，优化设计III的效率比原型的效率高0.56%；在4阀和3阀全开工况时，两种结构的性能十分接近。优化设计III的流量会略大于原型，但变化不大。从腔室内的总压损失看，优化设计结构III腔室内的总压损失基本与反流结构相近。

参考文献

[1] 王科军，杨锐，史立群.600MW汽轮机组顺序阀运行方式研究[J].汽轮机技术，2015（2）.

[2] 邓清华，丰镇平.基于进化算法的压气机叶型多目标优化设计[J].电机工程学报，2015，（10）.