史立群, 楊建道, 楊 銳, 彭澤瑛

(上海電氣電站設(shè)備有限公司,上海 201108)

汽輪機(jī)的排汽損失占到整個(gè)汽輪機(jī)損失的15%左右[1],設(shè)計(jì)一個(gè)具有良好氣動(dòng)性能的低壓排汽缸是有效降低排汽損失的主要辦法.排汽缸可以對(duì)汽輪機(jī)的余速進(jìn)行一定程度的回收利用,降低末級(jí)動(dòng)葉出口的壓力、增加末級(jí)焓降從而增加汽輪機(jī)的出力,提高機(jī)組效率.對(duì)排汽缸內(nèi)蒸汽的流動(dòng)機(jī)理和現(xiàn)象進(jìn)行研究分析,有助于進(jìn)一步提高排汽缸的氣動(dòng)性能.

近年來(lái),許多學(xué)者對(duì)排汽缸氣動(dòng)性能進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算[2-4]和吹風(fēng)試驗(yàn)研究,但大部分研究?jī)H僅對(duì)排汽缸進(jìn)行單獨(dú)分析[5-6],忽略了末級(jí)葉片出口流場(chǎng)徑向的不均勻性對(duì)排汽缸氣動(dòng)性能的影響.最近,部分研究人員注意到了這點(diǎn),如李欣等[5]對(duì)汽輪機(jī)排汽缸和葉片進(jìn)行了耦合計(jì)算分析,發(fā)現(xiàn)是否考慮末級(jí)葉片對(duì)于數(shù)值模擬的結(jié)果有非常明顯的影響.隨著計(jì)算流體力學(xué)(CFD)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,使對(duì)汽輪機(jī)排汽缸進(jìn)行大規(guī)模的數(shù)值模擬計(jì)算成為可能.利用CFD方法可以快速準(zhǔn)確地了解排汽缸內(nèi)蒸汽的流動(dòng)情況,分析不同邊界條件對(duì)其氣動(dòng)性能的影響.

筆者利用CFD方法對(duì)某600 MW汽輪機(jī)的末級(jí)葉片和排汽缸進(jìn)行了耦合計(jì)算,對(duì)比了是否考慮末級(jí)葉片的排汽缸氣動(dòng)性能的計(jì)算差別,并重點(diǎn)分析了動(dòng)葉葉頂漏氣對(duì)排汽缸氣動(dòng)性能的影響.

1 研究方法

在研究排汽缸氣動(dòng)性能時(shí)采用試驗(yàn)的方法是非常困難的,將耗費(fèi)大量的人力、財(cái)力和物力.使用CFD方法來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題可以節(jié)省大量的時(shí)間和資金.筆者采用商業(yè)CFD軟件進(jìn)行了排汽缸氣動(dòng)性能的數(shù)值模擬計(jì)算.

1.1 幾何模型與邊界條件

整個(gè)計(jì)算區(qū)域從末級(jí)葉片進(jìn)口到排汽缸出口,其中靜葉高度為845 mm,動(dòng)葉高度為905 mm,動(dòng)葉葉頂間隙為6.1 mm,排汽缸的三維尺寸分別為3772 mm、6680 mm和6860 mm.計(jì)算中忽略了排汽缸內(nèi)撐管和筋板結(jié)構(gòu),而把考察計(jì)算條件中有無(wú)末級(jí)葉片作為研究重點(diǎn).圖1為葉片和排汽缸三維模型.其中計(jì)算區(qū)域進(jìn)口為末級(jí)靜葉進(jìn)口,進(jìn)口條件為質(zhì)量流量、靜溫和干度;出口為排汽管道;邊界給定為靜壓.

圖1 葉片和排汽缸三維模型Fig.1 3D Model of blade and ex haust hood

1.2 幾何模型的網(wǎng)格劃分

筆者針對(duì)不同的幾何結(jié)構(gòu)采用不同的網(wǎng)格類(lèi)型.葉片級(jí)中采用結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)格,可以保證前緣和尾緣處的網(wǎng)格質(zhì)量,而在排汽缸中則應(yīng)用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,以便更好地適應(yīng)復(fù)雜的幾何細(xì)節(jié).葉片級(jí)的網(wǎng)格總數(shù)為50萬(wàn),排汽缸的為100萬(wàn).圖2為網(wǎng)格劃分情況.

圖2 網(wǎng)格情況示意圖Fig.2 Grid division of blade and exhaust hood

1.3 控制方程的求解

為了更細(xì)致地分析排汽缸內(nèi)的三元流動(dòng),筆者利用數(shù)值模擬方法來(lái)求解,控制方程為穩(wěn)態(tài)的三維N-S方程、能量方程以及連續(xù)性方程.

離散偏微分方程方法為有限控制容積法,差分格式為混合差分.為使控制方程封閉,采用了標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型,對(duì)于雷諾數(shù)較低的近壁面,采用壁面函數(shù)法.動(dòng)靜網(wǎng)格交接面(動(dòng)葉出口和排汽缸進(jìn)口、靜葉出口和動(dòng)葉進(jìn)口)采用混合平面法進(jìn)行數(shù)值傳遞.

1.4 排汽缸氣動(dòng)性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)

根據(jù)所得的排汽缸進(jìn)出口總壓和靜壓等參數(shù),計(jì)算出排汽缸的靜壓損失系數(shù)ζs和總壓損失系數(shù)ζt等數(shù)據(jù),以比較分析排汽缸的氣動(dòng)性能.

式中:pin、pt,in、ρin、Vin分別為排汽缸進(jìn)口汽流的平均靜壓、總壓、密度和速度;pout、pt,out為排汽缸出口汽流的平均靜壓和總壓.

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 不同計(jì)算條件下的靜壓力恢復(fù)系數(shù)

表1為在不同計(jì)算條件下計(jì)算得出的靜壓恢復(fù)系數(shù)和總壓損失系數(shù).葉片耦合計(jì)算條件下的ζs要略大于排汽缸單獨(dú)計(jì)算時(shí)的ζs.在考慮動(dòng)葉葉頂間隙的計(jì)算結(jié)果中,其靜壓恢復(fù)系數(shù)ζs要明顯大于不考慮間隙時(shí)的情況.但不能就此說(shuō)明葉頂間隙漏氣是有利于機(jī)組效率的,因?yàn)槿~頂漏氣減少了末級(jí)葉片的做功,通過(guò)排汽缸回收的余速動(dòng)能不一定可以抵消末級(jí)葉片做功的減少.但在設(shè)計(jì)優(yōu)化工作中,不能忽略這一間隙漏氣的影響,如果不考慮該漏氣會(huì)導(dǎo)致計(jì)算絕對(duì)值上的較大誤差和優(yōu)化方向選擇時(shí)的錯(cuò)誤.

表1 不同計(jì)算條件下氣動(dòng)性能的計(jì)算結(jié)果Tab.1 Calculated results of aerodynamic performance under different conditions

耦合整圈末級(jí)葉片計(jì)算時(shí)可以考察排汽缸進(jìn)口周向不均勻性對(duì)其氣動(dòng)性能的影響.在與西安交通大學(xué)的排汽缸氣動(dòng)性能合作項(xiàng)目中,筆者對(duì)整圈末級(jí)葉片進(jìn)行了建模計(jì)算,發(fā)現(xiàn)在小容積流量區(qū)域排汽缸進(jìn)口的周向不均勻性較強(qiáng);而在設(shè)計(jì)容積流量附近周向不均勻性并不明顯.本文主要計(jì)算設(shè)計(jì)工況的排汽缸性能,故采用單通道末級(jí)葉片進(jìn)行計(jì)算.

2.2 葉片耦合對(duì)于排汽缸計(jì)算影響

圖3為排汽缸的進(jìn)口、水平中分面及出口的壓力分布云圖.圖4為排汽缸水平中分面的速度矢量圖.從圖3和圖4可以看出,是否耦合葉片進(jìn)行計(jì)算對(duì)于排汽缸進(jìn)出口以及缸內(nèi)的流場(chǎng)分布有著非常顯著的影響.在進(jìn)出口處不考慮葉片時(shí),壓力沿垂直中分面對(duì)稱(chēng)分布;而在耦合計(jì)算時(shí),由于葉片的旋轉(zhuǎn),流場(chǎng)會(huì)呈現(xiàn)明顯的不對(duì)稱(chēng).在實(shí)際情況中,排汽缸內(nèi)部的流動(dòng)也是明顯不對(duì)稱(chēng)的.在圖4中,耦合末級(jí)葉片進(jìn)行計(jì)算時(shí),由于葉片的旋轉(zhuǎn)作用使排汽缸進(jìn)口有一定的切向速度,而不是單獨(dú)計(jì)算時(shí)純粹的軸向進(jìn)汽.切向的流動(dòng)可以使氣流更為順暢地通過(guò)擴(kuò)壓段,減少導(dǎo)流環(huán)處的流動(dòng)分離,提高流動(dòng)效率,這樣計(jì)算得出的排汽缸氣動(dòng)性能更為準(zhǔn)確,優(yōu)于單獨(dú)計(jì)算時(shí)的情況.

2.3 葉頂漏氣對(duì)于排汽缸氣動(dòng)計(jì)算的影響

圖3 排汽缸進(jìn)口、水平中分面、出口壓力分布云圖Fig.3 Pressure contours at inlet,horizon split and outlet of ex haust hood

圖4 排汽缸水平中分面速度矢量圖Fig.4 Velocity vector at horizon split of ex haust hood

動(dòng)葉葉頂存在一定的間隙,會(huì)有部分蒸汽通過(guò)該間隙流向排汽缸.間隙漏氣量約占整個(gè)流量的3%左右,間隙漏氣會(huì)對(duì)排汽缸的氣動(dòng)性能產(chǎn)生一定的影響.圖5為葉頂處絕對(duì)速度矢量對(duì)比圖.由圖5可以看出,不考慮葉片頂部間隙時(shí),動(dòng)葉出口的蒸汽大致為軸向流動(dòng),切向速度較小;而在考慮葉頂間隙的情況下,從葉頂間隙處通過(guò)的蒸汽由于沒(méi)有流經(jīng)動(dòng)葉做功,其動(dòng)葉出口的流動(dòng)方向與靜葉出口的流動(dòng)方向大致相同,且速度具有很大的切向分量.所以,是否考慮這一間隙,排汽缸氣動(dòng)計(jì)算時(shí)進(jìn)口的邊界條件會(huì)有較大的區(qū)別.從流動(dòng)機(jī)理上來(lái)講,間隙處較大切向速度產(chǎn)生的離心力可以使葉頂處的氣流更好地沿著導(dǎo)流環(huán)流動(dòng),減少了導(dǎo)流環(huán)處的流動(dòng)分離區(qū),蒸汽能夠更為順暢地通過(guò)擴(kuò)壓段,而使擴(kuò)壓段的擴(kuò)壓效率明顯提高.在該情況下,靜壓恢復(fù)系數(shù)有所增加.

圖5 葉頂處絕對(duì)速度矢量對(duì)比圖Fig.5 Comparison of absolute velocity vector at blade tip with and without tip clearance

3 結(jié) 論

(1)在進(jìn)行汽輪機(jī)排汽缸氣動(dòng)數(shù)值模擬時(shí),是否帶末級(jí)葉片進(jìn)行耦合計(jì)算改變了計(jì)算的邊界條件,從而對(duì)排汽缸的流場(chǎng)產(chǎn)生明顯的影響,模擬結(jié)果也有較大的不同.

(2)動(dòng)葉葉頂漏氣射流對(duì)排汽缸內(nèi)的流動(dòng)結(jié)構(gòu)有很大影響,會(huì)使得計(jì)算得出的靜壓恢復(fù)系數(shù)有所增加.

(3)在以后的低壓排汽缸設(shè)計(jì)優(yōu)化工作中,需要考慮末級(jí)動(dòng)葉對(duì)其氣動(dòng)計(jì)算的影響,末級(jí)動(dòng)葉葉頂?shù)穆庖膊豢珊雎?

(4)排汽缸進(jìn)口條件對(duì)于其氣動(dòng)性能有著決定性的影響.就本次模擬的計(jì)算條件來(lái)說(shuō),進(jìn)口氣流的旋轉(zhuǎn)速度,即周向速度的存在有利于排汽缸氣動(dòng)性能的提高,而進(jìn)口流場(chǎng)的徑向分布對(duì)靜壓恢復(fù)系數(shù)影響不大.

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