王建錄, 孔祥林, 劉網(wǎng)扣, 崔 琦, 張兆鶴

(1.東方汽輪機(jī)有限公司,德陽(yáng)618000;2.上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院,上海200240)

符號(hào)說(shuō)明:

η′u — — 輪周效率η′*u ——滯止輪周效率Nw——水力測(cè)功器吸收的功率,kW N′u— —輪周功率,kW Nx——空轉(zhuǎn)功率,kW G——級(jí)流量,kg/s

H0——級(jí)的等熵焓降,kJ/kg——級(jí)的等熵焓降與級(jí)的軸向排氣損失之差,kJ/kg C2z——?jiǎng)尤~出口平均軸向速度,m/s H*0 i*0——級(jí)前滯止焓,kJ/kg i2s——級(jí)后等熵焓,kJ/kg u——?jiǎng)尤~根部直徑處的圓周速度,m/s p*0——級(jí)前總壓,Pa——級(jí)前總溫,K F1——靜葉出口喉部面積,m2 μ1——靜葉流量系數(shù)p1r——靜、動(dòng)葉間根部壁面靜壓沿一個(gè)柵距的平均測(cè)量值,Pa p1t——靜、動(dòng)葉間頂部壁面靜壓沿一個(gè)柵距的平均測(cè)量值,Pa T*0 μ——級(jí)流量系數(shù)p2r——級(jí)后根部壁面靜壓,Pa p2t——級(jí)后頂部壁面靜壓,Pa q——級(jí)折合流量q1——靜葉折合流量ρr——根部反動(dòng)度ρt——頂部反動(dòng)度Co——級(jí)的理想速度,m/s

汽輪機(jī)效率與其通流部分的流動(dòng)效率緊密相關(guān).由于噴嘴與動(dòng)葉的葉型損失、漏氣損失以及二次流損失占總級(jí)損失的絕大部分(約為 80%～90%[1]),因此,研發(fā)透平葉柵的先進(jìn)葉型并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),盡量減少動(dòng)、靜葉的氣動(dòng)損失,具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值.

影響葉柵性能的因素很多,除葉型、葉柵的幾何參數(shù)及氣動(dòng)參數(shù)外,流道形狀和葉片的成型也是十分重要的因素.目前,在通流設(shè)計(jì)中,正彎曲葉片等技術(shù)得到普遍的重視和應(yīng)用,已經(jīng)廣泛應(yīng)用在汽輪機(jī)上,實(shí)踐證明取得了良好的效果[2].但由于其發(fā)展迅速,應(yīng)用范圍越來(lái)越廣,提出了很多新的問(wèn)題,其中一些問(wèn)題不僅具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值,而且直接影響正彎曲葉片的進(jìn)一步發(fā)展與推廣[3-4].筆者對(duì)某汽輪機(jī)高壓缸的正彎靜葉級(jí)進(jìn)行了模化的單級(jí)空氣透平級(jí)性能試驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算,并將正彎靜葉改為相同葉型的直葉片靜葉,進(jìn)行了相應(yīng)的試驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算,同時(shí)還研究了正彎曲葉片降低損失的機(jī)理.

1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ图坝?jì)算網(wǎng)格

試驗(yàn)級(jí)通流部分的簡(jiǎn)圖示于圖1.空氣透平級(jí)性能試驗(yàn)的試驗(yàn)級(jí)為實(shí)物級(jí)的全?；?模化比為0.425 6,該級(jí)靜葉為正彎靜葉或直葉片靜葉,動(dòng)葉為彎扭葉片.正彎靜葉級(jí)和直葉片靜葉級(jí)的級(jí)壓比分別為0.916 6和0.857.在試驗(yàn)工況下,正彎靜葉級(jí)和直葉片靜葉級(jí)的馬赫數(shù)分別為0.355和0.474,雷諾數(shù)分別為3.18×105和4.01×105(特征長(zhǎng)度取靜葉弦長(zhǎng))[5].

采用Numeca商用CFD軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,計(jì)算模型與實(shí)物模型一致,略去靜、動(dòng)葉間的腔室部分.湍流模型為S-A湍流模型,葉片流道采用HOH網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),并對(duì)葉頂圍帶汽封進(jìn)行局部加密,葉片流道與主流道采用FNMN連接.以直葉片靜葉級(jí)網(wǎng)格為例,網(wǎng)格總數(shù)為150萬(wàn),葉片流道最小正交性為32,網(wǎng)格最小正交性為6.1,最小正交性的網(wǎng)格出現(xiàn)在葉頂汽封中,90%的網(wǎng)格正交性大于72,99%的網(wǎng)格長(zhǎng)寬比小于1 000,99%的網(wǎng)格擴(kuò)展比小于1.8,網(wǎng)格質(zhì)量良好.

圖1 試驗(yàn)級(jí)通流部分簡(jiǎn)圖Fig.1 Sketch of flow path of the test stage

2 測(cè)量參數(shù)及試驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理

單級(jí)空氣透平試驗(yàn)臺(tái)的轉(zhuǎn)子為雙懸臂結(jié)構(gòu),前懸臂端裝有動(dòng)葉輪,后懸臂端裝有水力測(cè)功器的3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)盤.前軸承(動(dòng)葉輪側(cè))為支持軸承,后軸承(轉(zhuǎn)動(dòng)盤側(cè))為支持推力軸承.

2.1 測(cè)量參數(shù)

每個(gè)試驗(yàn)工況需完成下列數(shù)據(jù)的采集:

(1)測(cè)量透平級(jí)前進(jìn)氣管道(φ 460 mm)中的空氣流量,為此需測(cè)量的參數(shù)是孔板前的溫度、孔板前腔室中的壓力及孔板前后腔室中的壓差.

(2)測(cè)量進(jìn)入透平級(jí)前空氣的滯止溫度.

在教學(xué)活動(dòng)中突出學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力培養(yǎng)，通過(guò)教師的主導(dǎo)來(lái)發(fā)揮學(xué)生的主體作用。開(kāi)學(xué)初，學(xué)生領(lǐng)完教材，就開(kāi)始引導(dǎo)同學(xué)們將教材內(nèi)容粗略的進(jìn)行瀏覽，使他們對(duì)教材內(nèi)容有了初步的了解，同時(shí)也引導(dǎo)他們與自己的知識(shí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較，對(duì)學(xué)習(xí)這門課有一個(gè)明確的目標(biāo)，做好學(xué)習(xí)的計(jì)劃，提前發(fā)現(xiàn)自己學(xué)習(xí)這門課可能遇到的問(wèn)題，為學(xué)好本這門課提前做好心理準(zhǔn)備。

(3)在級(jí)前和級(jí)后環(huán)形通道中,測(cè)量沿內(nèi)、外壁面周向均勻分布的壁面靜壓.級(jí)前測(cè)孔距靜葉出汽邊64 mm,分別沿內(nèi)、外壁面周向均勻布置6個(gè)測(cè)量點(diǎn);級(jí)后測(cè)孔距動(dòng)葉中心線47.5 mm,同樣分別沿內(nèi)、外壁面周向均勻布置6個(gè)測(cè)量點(diǎn).

(4)在靜、動(dòng)葉間靜葉出口內(nèi)壁面沿1個(gè)柵距均勻布置6個(gè)測(cè)壓點(diǎn),測(cè)量截面距靜葉出口邊4.5 mm;在靜、動(dòng)葉間靜葉出口外壁面沿1個(gè)柵距均勻布置10個(gè)測(cè)壓點(diǎn),測(cè)量截面距靜葉出口邊5 mm.

(5)測(cè)量轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速.

(6)測(cè)量水力測(cè)功器的功率.

(7)測(cè)量大氣壓.

2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理

透平級(jí)效率用輪周效率η′u和滯止輪周效率來(lái)表示,其定義式分別為:

式中 :N′u=Nw+Nx;H0=i*0-i2s;H*0=i*0-i2s-

靜葉流量系數(shù)μ1和級(jí)流量系數(shù)μ的計(jì)算公式如下:

級(jí)效率與速比的關(guān)系采用4次方程擬合(速比中的圓周速度u采用根部值),在計(jì)算速比范圍內(nèi),反動(dòng)度和流量系數(shù)與速比的關(guān)系近似呈直線關(guān)系,本文采用直線方程進(jìn)行擬合.為方便對(duì)比,對(duì)計(jì)算結(jié)果采用的處理方法與試驗(yàn)一樣[6-7].

3 結(jié)果與分析

3.1 級(jí)效率隨速比的變化

圖2給出了透平級(jí)輪周效率和滯止輪周效率隨速比的變化.圖3給出了透平級(jí)輪周效率隨速比變化的計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果的比較.由圖2和圖3可以看出:正彎靜葉級(jí)空氣透平試驗(yàn)的最佳速比約為0.54,最佳輪周效率為0.895 4,在最佳速比附近級(jí)效率曲線變化平緩;正彎靜葉級(jí)的計(jì)算最佳速比約為0.51,最佳輪周效率為0.890 5;在低速比時(shí),正彎靜葉級(jí)輪周效率的試驗(yàn)曲線和計(jì)算曲線吻合較好,在較高速比時(shí)兩者存在一定的差別.直葉片靜葉級(jí)空氣透平試驗(yàn)的最佳速比約為 0.55,最佳輪周效率為0.876 3;直葉片靜葉級(jí)的計(jì)算最佳速比約為0.525,最佳輪周效率為0.870 0.直葉片靜葉級(jí)輪周效率隨速比的變化呈現(xiàn)出與正彎靜葉級(jí)相似的規(guī)律.試驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果均表明,在速比相同的條件下,直葉片靜葉級(jí)的輪周效率比正彎靜葉級(jí)的約低2%.

圖2 正彎靜葉級(jí)與直葉片靜葉級(jí)輪周效率和滯止輪周效率隨速比的變化Fig.2 Wheel efficiency and stagnated wheel efficiency vs.speed ratio for two turbine stages

圖3 正彎靜葉級(jí)與直葉片靜葉級(jí)輪周效率隨速比變化的計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Calculation and test results of wheel efficiency vs.speed ratio for two turbine stages

3.2 反動(dòng)度隨速比的變化

圖4給出了正彎靜葉級(jí)與直葉片靜葉級(jí)反動(dòng)度隨速比變化的計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果.從圖4可以看出,計(jì)算值與試驗(yàn)值吻合較好.在試驗(yàn)和計(jì)算速比范圍內(nèi),正彎靜葉級(jí)與直葉片靜葉級(jí)的反動(dòng)度隨速比的增大近似呈線性變化,當(dāng)速比為0.5時(shí),正彎靜葉級(jí)根部和頂部反動(dòng)度的計(jì)算值分別為0.090 0和0.341 9,直葉片靜葉級(jí)根部和頂部反動(dòng)度的計(jì)算值分別為0.070 6和0.318 4,可見(jiàn)直葉片靜葉級(jí)根部和頂部反動(dòng)度的計(jì)算值比正彎靜葉級(jí)低0.02左右.

3.3 流量系數(shù)隨速比的變化

圖5給出了正彎靜葉級(jí)和直葉片靜葉級(jí)流量系數(shù)隨速比變化的計(jì)算及試驗(yàn)結(jié)果.從圖5可以看出,正彎靜葉級(jí)和直葉片靜葉級(jí)的靜葉流量系數(shù)隨速比的增大近似為一常數(shù),級(jí)流量系數(shù)隨速比的提高而減小.直葉片靜葉級(jí)靜葉流量系數(shù)和級(jí)流量系數(shù)的計(jì)算結(jié)果均大于正彎靜葉級(jí).流量系數(shù)的計(jì)算值比試驗(yàn)值大5%左右,主要原因可能是:①實(shí)際氣流的出氣角存在差異;②計(jì)算模型中沒(méi)有考慮葉片型面與壁面交界處的圓角對(duì)實(shí)際通流面積的削弱因素,后一因素在?；s小的透平級(jí)中更突出.

圖4 正彎靜葉級(jí)與直葉片靜葉級(jí)反動(dòng)度隨速比變化的計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Calculation and test results of reaction vs.speed ratio for two turbine stages

圖5 正彎靜葉級(jí)與直葉片靜葉級(jí)流量系數(shù)隨速比變化的計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Calculation and test results of stage discharge coefficient vs.speed ratio for two turbine stages

3.4 級(jí)能量損失分析

在輪周效率的計(jì)算中,扣除了靜葉損失、動(dòng)葉損失、葉頂漏氣損失和排氣損失4個(gè)部分,在速比為0.5時(shí),正彎靜葉級(jí)和直葉片靜葉級(jí)能量損失的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1.從表1中數(shù)據(jù)可以看出,在速比為0.5時(shí),直葉片靜葉級(jí)輪周效率的計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果分別比正彎靜葉級(jí)低2.6%和2.42%,2個(gè)級(jí)的輪周效率無(wú)論是絕對(duì)值還是相對(duì)變化量,其試驗(yàn)與計(jì)算結(jié)果均基本一致.從能量損失計(jì)算結(jié)果來(lái)看,造成正彎靜葉級(jí)級(jí)效率比直葉片靜葉級(jí)提高的主要原因是正彎靜葉級(jí)的靜葉損失和動(dòng)葉損失均比直葉片靜葉級(jí)小,而排氣損失和葉頂漏氣損失變化較小.忽略排氣損失和葉頂漏氣損失的變化,在正彎靜葉級(jí)輪周效率的增量中,由于靜葉級(jí)能量損失系數(shù)下降使輪周效率提高的量占55%,由于動(dòng)葉級(jí)能量損失系數(shù)下降使輪周效率提高的量占45%.

圖6給出了正彎靜葉級(jí)與直葉片靜葉級(jí)靜葉能量損失系數(shù)沿葉高分布的計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果.由圖6可以看出,直葉片靜葉在根部和頂部均存在較大的端損區(qū),而正彎曲葉片由于葉片彎曲在根部和頂部的作用,其端損區(qū)及端損均減小.葉片中部型損的試驗(yàn)值明顯低于計(jì)算值,致使靜葉能量損失系數(shù)的試驗(yàn)值低于計(jì)算值約1%(表1).

圖6 正彎靜葉級(jí)與直葉片靜葉級(jí)靜葉能量損失系數(shù)沿葉高分布的計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Calculation and test results of stator energy loss coefficient vs.blade height for two turbine stages

圖7給出了正彎靜葉級(jí)與直葉片靜葉級(jí)動(dòng)葉能量損失系數(shù)沿葉高分布的計(jì)算結(jié)果.從圖7可以看出,雖然2個(gè)級(jí)的動(dòng)葉一樣,但由于直葉片靜葉兩端較大的端損區(qū)對(duì)動(dòng)葉的影響,使得直葉片靜葉級(jí)的動(dòng)葉在葉片兩端有較大的端損區(qū),造成動(dòng)葉整體損失增加.

圖7 正彎靜葉級(jí)與直葉片靜葉級(jí)的動(dòng)葉能量損失系數(shù)沿葉高的分布Fig.7 Calculation and test results of rotor energy loss coefficient vs.blade height for two turbine stages

圖8 正彎靜葉級(jí)與直葉片靜葉級(jí)ZU平面動(dòng)葉進(jìn)氣角沿葉高的分布Fig.8 Rotor inlet angle projecting on ZU plane vs.blade height for two turbine stages

圖8給出了正彎靜葉級(jí)與直葉片靜葉級(jí)ZU平面動(dòng)葉進(jìn)氣角沿葉高分布的計(jì)算結(jié)果.從圖8可以看出,直葉片靜葉級(jí)在根部和頂部的動(dòng)葉進(jìn)氣角均小于正彎靜葉級(jí),在中部略大于正彎靜葉級(jí),但變化一般在3°以下,僅在根部極小區(qū)域達(dá)到5°.由于2個(gè)級(jí)的試驗(yàn)采用同一動(dòng)葉輪,進(jìn)氣角的變化會(huì)造成動(dòng)葉損失的變化,但對(duì)照?qǐng)D7的損失曲線可知,進(jìn)氣角的變化不是動(dòng)葉損失變化的主導(dǎo)因素.

4 結(jié) 論

(1)與采用相同葉型的直葉片靜葉級(jí)相比,正彎靜葉級(jí)可改善端壁的二次流流動(dòng),使靜葉和動(dòng)葉損失均有較大減小,速比為0.5時(shí)的試驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果表明:正彎靜葉級(jí)的級(jí)效率提高約2.4%～2.6%.級(jí)效率的提高是通過(guò)靜葉損失與動(dòng)葉損失的下降獲得的,靜葉約占55%,動(dòng)葉約占45%.

(2)由于正彎靜葉葉片力在根部使氣流向下壓、在頂部使氣流向上壓的作用,正彎靜葉級(jí)根部和頂部的反動(dòng)度均比直葉片靜葉級(jí)大0.02左右.直葉片靜葉級(jí)的流量系數(shù)略大于正彎靜葉級(jí).

[1]蔡頤年.蒸汽輪機(jī)[M].西安:西安交通大學(xué)出版社,1988.

[2]張兆鶴,崔琦,梁安江.有關(guān)葉柵損失的探討[J].上海汽輪機(jī),2002(1):54-61.

[3]王仲奇.透平機(jī)械原理[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1979.

[4]陳海生.彎曲葉片透平葉柵和單級(jí)軸流風(fēng)機(jī)氣動(dòng)特性的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究[D].北京:中國(guó)科學(xué)院研究生院,2002.

[5]梁安江.靜葉斜置對(duì)葉柵性能及級(jí)特性影響的研究[D].上海:上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究所,2002.

[6]劉網(wǎng)扣.正彎靜葉透平級(jí)靜、動(dòng)葉間吸漏氣對(duì)級(jí)氣動(dòng)性能影響的試驗(yàn)和計(jì)算分析[D].上海:上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院,2009.

[7]馮師顏.誤差理論與實(shí)踐數(shù)據(jù)處理[M].北京:科學(xué)出版社,1996.