陳遠(yuǎn)東

（北京龍威發(fā)電技術(shù)有限公司，北京 100044）

汽輪機(jī)部分進(jìn)汽調(diào)節(jié)級(jí)三維流場(chǎng)數(shù)值研究

陳遠(yuǎn)東

（北京龍威發(fā)電技術(shù)有限公司，北京 100044）

使用NUMECA軟件，采用三維黏性數(shù)值模擬方法分別對(duì)蒸汽室和調(diào)節(jié)級(jí)部分進(jìn)汽條件下調(diào)節(jié)級(jí)內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值分析。研究發(fā)現(xiàn)，由于結(jié)構(gòu)限制，蒸汽室內(nèi)部流動(dòng)紊亂，流動(dòng)損失較大，而且部分進(jìn)汽結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)級(jí)存在較大的弧段損失和鼓風(fēng)損失，導(dǎo)致調(diào)節(jié)效率低下。

汽輪機(jī)；調(diào)節(jié)級(jí)；部分進(jìn)汽；數(shù)值計(jì)算

0 引言

隨著用戶對(duì)電力需求的變化以及我國(guó)電力行業(yè)結(jié)構(gòu)的改革，電站汽輪機(jī)參與電網(wǎng)調(diào)峰而經(jīng)常處于變工況運(yùn)行狀態(tài)［1-3］。目前，汽輪機(jī)配汽方式主要有2種：噴嘴配汽和節(jié)流配汽。噴嘴配汽汽輪機(jī)的變工況運(yùn)行是通過調(diào)節(jié)級(jí)來實(shí)現(xiàn)的，調(diào)節(jié)級(jí)一般處于部分進(jìn)汽狀態(tài)，部分進(jìn)汽導(dǎo)致調(diào)節(jié)級(jí)內(nèi)各汽動(dòng)參數(shù)圓周方向存在非均勻，內(nèi)部流動(dòng)效率低下［4-5］，開展汽輪機(jī)部分進(jìn)汽調(diào)節(jié)級(jí)性能研究，分析其損失機(jī)制，能夠?yàn)榇蠊β势啓C(jī)的熱力氣動(dòng)性能和動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)提供理論支持。

國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)部分進(jìn)汽調(diào)節(jié)級(jí)進(jìn)行了多方面研究。文獻(xiàn)［1］對(duì)部分進(jìn)汽調(diào)節(jié)級(jí)各種損失的機(jī)制做了細(xì)致分析。文獻(xiàn)［6-10］不僅對(duì)調(diào)節(jié)級(jí)部分進(jìn)汽相關(guān)機(jī)制進(jìn)行了理論研究，而且對(duì)其進(jìn)行了試驗(yàn)研究和數(shù)值計(jì)算，分析了不同截面處靜壓以及熵沿周向分布情況，結(jié)果吻合良好。文獻(xiàn)［11］對(duì)某200MW汽輪機(jī)部分進(jìn)汽調(diào)節(jié)級(jí)的二維數(shù)值模擬。文獻(xiàn)［12］對(duì)汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級(jí)的部分進(jìn)汽狀況進(jìn)行了二維數(shù)值模擬。文獻(xiàn)［13］對(duì)調(diào)節(jié)級(jí)的三維非定常流動(dòng)進(jìn)行了1／4環(huán)面的數(shù)值研究。

為進(jìn)一步了解部分進(jìn)汽調(diào)節(jié)級(jí)內(nèi)部流動(dòng)機(jī)制，本文采用NUMECA軟件對(duì)某型汽輪機(jī)蒸汽室和部分進(jìn)汽調(diào)節(jié)級(jí)數(shù)值模擬，詳細(xì)分析其流場(chǎng)氣動(dòng)狀況，找出其主要損失源，從而為調(diào)節(jié)級(jí)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 數(shù)值方法

1.1 計(jì)算模型說明

本文研究的對(duì)象如圖1所示，調(diào)節(jié)級(jí)噴嘴組每個(gè)弧段和1個(gè)蒸汽室相連，具體參數(shù)見表1。該調(diào)節(jié)級(jí)部分進(jìn)汽結(jié)構(gòu)共4個(gè)弧段，每個(gè)弧段汽道數(shù)為30，共120個(gè)汽道，圓周當(dāng)量汽道為138，4個(gè)閥門全開部分進(jìn)汽度為0.869 5（120／138），額定工況下，3個(gè)閥門全開，部分進(jìn)汽度為0.6521（90／138）。

圖1 研究對(duì)象

表1 調(diào)節(jié)級(jí)部分幾何參數(shù)

本文采用數(shù)值模擬方式研究該調(diào)節(jié)級(jí)額定工況下氣動(dòng)熱力性能。額定工況下調(diào)節(jié)級(jí)開啟3個(gè)閥門，高溫、高壓蒸汽首先經(jīng)過蒸汽室腔室，再進(jìn)入噴嘴組弧段對(duì)調(diào)節(jié)級(jí)做功。由于研究對(duì)象幾何尺寸較大，將研究對(duì)象分成蒸汽室計(jì)算域和調(diào)節(jié)級(jí)計(jì)算域。由于蒸汽室是相互對(duì)稱的，因此其內(nèi)部流場(chǎng)也是相同的。為減少計(jì)算量，只為一個(gè)蒸汽室進(jìn)行計(jì)算，為保證計(jì)算收斂，在蒸汽室出口添加一個(gè)延伸段，如圖2所示。調(diào)節(jié)級(jí)采用全周為計(jì)算域，額定工況下調(diào)節(jié)級(jí)噴嘴組3個(gè)弧段開啟，另一個(gè)弧段關(guān)閉，計(jì)算域模型如圖3所示。

圖2 蒸汽室計(jì)算域

圖3 調(diào)節(jié)級(jí)全周計(jì)算域

1.2 計(jì)算方法及邊界條件

采用商業(yè)軟件NUMECA對(duì)蒸汽室和調(diào)節(jié)級(jí)三維黏性定常流場(chǎng)進(jìn)行模擬。空間離散采用中心差分格式輔助人工黏性項(xiàng)，四步Rung-Kutta法進(jìn)行時(shí)間推進(jìn)迭代求解，全多重網(wǎng)格法、局部時(shí)間步法和隱式殘差光順加速迭代收斂，湍流模型選擇低雷諾數(shù)Spalart-Allmaras模型。靜葉／動(dòng)葉交界面采用轉(zhuǎn)子凍結(jié)法處理，工質(zhì)選擇可凝結(jié)水蒸氣。

蒸汽室進(jìn)口給定均勻總溫和總壓，進(jìn)汽方向垂直于進(jìn)口平面，見表2。進(jìn)口總壓即等于主汽門前蒸汽額定壓力減去主汽門、調(diào)門及進(jìn)汽管道的壓損，約為15.76MPa?？倻丶礊橹髌T前蒸汽額定溫度808.15K。蒸汽室出口給定流量，調(diào)節(jié)級(jí)額定流量為262.300 kg／s，平均分配到3個(gè)蒸汽室，每個(gè)蒸汽室的流量為87.437 kg／s。

表2 蒸汽室部分性能參數(shù)

調(diào)節(jié)級(jí)進(jìn)口總溫、總壓按照計(jì)算模擬的蒸汽室出口總溫、總壓給定，出口給定質(zhì)量流量為262.300 kg／s，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為3000 r／min。

蒸汽室和調(diào)節(jié)級(jí)計(jì)算域所有固壁均為無滑移固壁絕熱條件。

1.3 網(wǎng)格劃分

采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格生成器IGG進(jìn)行蒸汽室網(wǎng)格劃分，如圖4所示。進(jìn)汽管道和汽室均采用碟形網(wǎng)格，延伸段采用H型網(wǎng)格，進(jìn)氣管道和汽室采用FNMB連接，網(wǎng)格總數(shù)為79萬。

圖4 蒸汽室三維網(wǎng)格

調(diào)節(jié)級(jí)采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格自動(dòng)生成器Autogrid5進(jìn)行單通道網(wǎng)格的劃分，如圖5所示。單通道網(wǎng)格劃分完成以后，在IGG進(jìn)行通道復(fù)制，靜子流道包括3個(gè)弧段，共90個(gè)通道，轉(zhuǎn)子區(qū)域共80個(gè)弧段。由于計(jì)算時(shí)交界面處理采用轉(zhuǎn)子凍結(jié)法，因此要求交界面上下游的周期相同。上游靜子區(qū)域只包括3個(gè)弧段，并沒有覆蓋全周，下游轉(zhuǎn)子區(qū)域包含整周，因此在靜子出口面和轉(zhuǎn)子進(jìn)口面的軸向間隙處增加一個(gè)過渡段，此過渡段上游面與三弧段靜子區(qū)域完全匹配連接，下游面作為交界面的上游，如圖3所示。

圖5 調(diào)節(jié)級(jí)通道三維網(wǎng)格

調(diào)節(jié)級(jí)網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用O4H型結(jié)構(gòu)。在網(wǎng)格生成過程中，考慮黏性流場(chǎng)計(jì)算中低雷諾數(shù)湍流模型的應(yīng)用，捕捉近壁面湍流附面層流動(dòng)的詳細(xì)流動(dòng)特征，加密靠近壁面的網(wǎng)格，近壁面第1層網(wǎng)格距離固壁距離取0.003mm，將y+值控制在一定的低雷諾數(shù)湍流模型要求的范圍之內(nèi)。計(jì)算結(jié)果表明，壁面絕大部分區(qū)域y+＜20，流道區(qū)域y+＜10。

2 計(jì)算結(jié)果分析

本文計(jì)算模型包括蒸汽室和調(diào)節(jié)級(jí)葉柵通道，為了使結(jié)果說明更加清晰，下面分別對(duì)蒸汽室和調(diào)節(jié)級(jí)葉柵通道進(jìn)行描述。

2.1 蒸汽室內(nèi)部流動(dòng)分析

表2顯示的是蒸汽室部分性能參數(shù)。汽流經(jīng)過蒸汽室，總壓和總溫都有所降低，計(jì)算得到蒸汽室出口平均壓力為15.70MPa，溫度為807.90 K，蒸汽在蒸汽室內(nèi)部流動(dòng)損失總壓60 kPa，總溫?fù)p失0.25K，其中總壓恢復(fù)系數(shù)為99.6%，這是由于蒸汽室流場(chǎng)存在較大的漩渦區(qū)。

圖6顯示的是蒸汽室縱切面靜壓力分布。從圖6可以看出，在進(jìn)口轉(zhuǎn)向出口時(shí)，由于截面收縮，汽流經(jīng)過蒸汽室后壓力降低，速度升高，在出口面上出現(xiàn)漩渦區(qū)，加上延伸段后可以覆蓋整個(gè)漩渦區(qū)，從而保證計(jì)算收斂。圖7顯示的是蒸汽室橫切面靜壓分布，蒸汽室上部和蒸汽室下部分別形成2個(gè)漩渦區(qū)。上區(qū)主要是由于汽流與蒸汽室上部固壁對(duì)沖產(chǎn)生漩渦，汽流動(dòng)能較大，壓力較高。在蒸汽室下部靠近壁面處由于與噴嘴組聯(lián)通不暢，該處速度較低，流體可以近似看成滯止，形成局部高壓區(qū)。整個(gè)下區(qū)流線分布比較雜亂，存在大量漩渦，漩渦形成主要是由于在這個(gè)區(qū)域形成了“死區(qū)”，主汽流對(duì)這個(gè)區(qū)域存在一個(gè)抽吸效應(yīng)，壓力較低；此外，該區(qū)汽流動(dòng)能低，損失較大，而且越到漩渦中心損失越大。

圖6 蒸汽室縱切面靜壓分布

圖8顯示的是蒸汽室出口面上的總壓分布。圖9顯示了蒸汽室出口面上的總溫分布，圖中顯示下半?yún)^(qū)的總壓損失較大，總溫局部降低，這是由于該區(qū)存在較大的漩渦區(qū)（對(duì)應(yīng)于圖7）。

2.2 調(diào)節(jié)級(jí)葉柵通道流動(dòng)分析

調(diào)節(jié)級(jí)噴嘴組有4個(gè)弧段，額定工況下，調(diào)節(jié)級(jí)噴嘴組開啟3個(gè)弧段，分別和3個(gè)蒸汽室相通，另一個(gè)弧段關(guān)閉，但弧段仍然和對(duì)應(yīng)的蒸汽室相連通，但該蒸汽室無蒸汽來流，所以此弧段在計(jì)算區(qū)域中沒有顯示，如圖2所示。由于該調(diào)節(jié)級(jí)存在部分進(jìn)汽度，噴嘴弧段與弧段之間有隔段，關(guān)閉的弧段和隔段都被稱作堵塞區(qū)。

圖7 蒸汽室橫切面靜壓分布

圖8 蒸汽室出口面總壓分布

圖9 蒸汽室出口面總溫分布

表3顯示的是各項(xiàng)總體性能參數(shù)的時(shí)間平均值。等熵效率時(shí)均值為0.534，進(jìn)、出口流量幾乎一致。出口靜壓時(shí)均值為12209972Pa，和額定工況下的出口靜壓完全一致。全周計(jì)算數(shù)值模擬，從總體參數(shù)來看，計(jì)算可以反映額定工況下調(diào)節(jié)級(jí)內(nèi)的真實(shí)流動(dòng)狀態(tài)。

表3 調(diào)節(jié)級(jí)總體性能參數(shù)

圖10、圖11分別顯示的是靜子出口面（交界面上游）上絕對(duì)總壓云圖和熵云圖分布情況。從圖10可以看出，弧段4壓力較大，個(gè)別噴嘴弧段之間隔斷區(qū)域壓力波動(dòng)。從圖11中熵的分布可以看出，弧段4熵增最大。由于該區(qū)為堵塞區(qū)，堵塞區(qū)內(nèi)汽流流動(dòng)不暢，擾動(dòng)比較大，能量損失大，熵比較大，這是部分進(jìn)汽特有的弧段損失和鼓風(fēng)損失。由于動(dòng)葉的旋轉(zhuǎn)，弧段內(nèi)的汽流損失沿周向非均勻性，堵塞區(qū)這種擾動(dòng)對(duì)葉柵通道內(nèi)的流動(dòng)具有一定的影響，這種影響還會(huì)衍生到下游壓力級(jí)區(qū)域。

圖10 靜子出口截面絕對(duì)總壓分布

圖11 靜子出口截面熵分布

由于調(diào)節(jié)級(jí)靜葉和動(dòng)葉片展弦比較小，從葉根到葉頂流動(dòng)特性基本相似，現(xiàn)選取中經(jīng)截面為對(duì)象分析流場(chǎng)的流動(dòng)機(jī)制。圖12顯示的是調(diào)節(jié)級(jí)葉柵通道中徑截面的靜壓分布云圖，圖13為中徑截面熵分布云圖。

圖12 中徑截面靜壓分布

圖13 中徑截面熵分布

從圖12中可以看出，在噴嘴組（弧段1、弧段2、弧段3）流向所對(duì)應(yīng)的動(dòng)葉通道內(nèi)部，動(dòng)葉壓力面壓力明顯高于動(dòng)葉吸力面壓力，周向壓力梯度明顯，高溫高壓蒸汽對(duì)動(dòng)葉正功；而在堵塞區(qū)（弧段1～3之間的隔段），動(dòng)葉通道壓力面和吸力面壓力幾乎相等，周向壓力梯度減小，內(nèi)部流體相對(duì)滯止；動(dòng)葉旋轉(zhuǎn)到該堵塞區(qū)，動(dòng)葉中蒸汽極短時(shí)間內(nèi)被抽走，會(huì)造成壓力急劇降低，隨著動(dòng)葉繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，在動(dòng)葉進(jìn)入剛剛離開堵塞區(qū)時(shí)，由于動(dòng)葉中滯留的蒸汽與上游來流的阻擋作用，造成汽流靜壓迅速回升，當(dāng)動(dòng)葉通道中相對(duì)滯止的蒸汽排除后，汽流的靜壓又慢慢下降；弧段4處，由于此噴嘴組弧段關(guān)閉，上游無蒸汽進(jìn)入動(dòng)葉，表現(xiàn)出明顯的軸向壓力梯度，隨著動(dòng)葉的旋轉(zhuǎn)，動(dòng)葉對(duì)此處葉片通道滯留的蒸汽做功，使得此處的蒸汽壓力大幅度升高，這就是汽輪機(jī)部分進(jìn)汽調(diào)節(jié)級(jí)中常見的鼓風(fēng)損失，鼓風(fēng)損失存在于整個(gè)堵塞區(qū)后的動(dòng)葉通道中，鼓風(fēng)損失是調(diào)節(jié)級(jí)效率低下的一個(gè)主要原因。

從圖13中熵的分布來看，高損失區(qū)主要集中在轉(zhuǎn)子區(qū)的弧段4和弧段與弧段之間的隔斷區(qū)，由于其上流沒有流體流出，該區(qū)域內(nèi)充滿大量的低速湍流團(tuán)，因此損失很大，和圖12分析一致。

3 結(jié)論

本文基于三維黏性可壓縮N-S方程，對(duì)某型汽輪機(jī)部分進(jìn)汽調(diào)節(jié)級(jí)的三維流場(chǎng)進(jìn)行了詳細(xì)分析，研究得到以下結(jié)論。

（1）由于該型汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級(jí)蒸汽室內(nèi)部結(jié)構(gòu)限制，流動(dòng)比較紊亂，存在較大的流動(dòng)損失，合理改進(jìn)蒸汽室結(jié)構(gòu)可以提高調(diào)節(jié)級(jí)進(jìn)口總溫、總壓，從而提高調(diào)節(jié)級(jí)效率。

（2）額定工況工作時(shí)，部分進(jìn)汽調(diào)節(jié)級(jí)等熵效率為53.4%，調(diào)節(jié)級(jí)效率低下，其部分進(jìn)汽結(jié)構(gòu)使得流場(chǎng)產(chǎn)生大量的弧段損失和鼓風(fēng)損失，這是該調(diào)節(jié)級(jí)的主要損失來源。

（3）調(diào)節(jié)級(jí)葉柵周向變化較大，在非堵塞區(qū)，調(diào)節(jié)級(jí)動(dòng)葉壓力面壓力明顯高于動(dòng)葉吸力面壓力，周向壓力梯度明顯，高溫高壓蒸汽對(duì)動(dòng)葉做功。

（4）動(dòng)葉旋轉(zhuǎn)剛進(jìn)入到該堵塞區(qū)時(shí)，動(dòng)葉通道壓力面和吸力面壓力幾乎相等，周向壓力梯度減小，內(nèi)部流體相對(duì)滯止，動(dòng)葉中蒸汽極短時(shí)間內(nèi)被抽走，會(huì)造成壓力急劇降低，隨著動(dòng)葉繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，在動(dòng)葉剛進(jìn)入非堵塞區(qū)時(shí)，由于動(dòng)葉中滯留的蒸汽與上游來流阻擋作用，造成汽流靜壓迅速回升，當(dāng)動(dòng)葉通道中相對(duì)滯止的蒸汽排除后，汽流的靜壓又慢慢下降。

（5）由于調(diào)節(jié)級(jí)部分進(jìn)汽存在，上游無蒸汽進(jìn)入動(dòng)葉，表現(xiàn)出明顯的軸向壓力梯度，由于動(dòng)葉的旋轉(zhuǎn)，動(dòng)葉對(duì)此處葉片通道滯留的蒸汽做功，使得此處的蒸汽壓力大幅度升高，這就是汽輪機(jī)部分進(jìn)汽調(diào)節(jié)級(jí)中常見的鼓風(fēng)損失，鼓風(fēng)損失存在于整個(gè)堵塞區(qū)后的動(dòng)葉通道中，是調(diào)節(jié)級(jí)效率低下的一個(gè)主要原因。

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（本文責(zé)編：白銀雷）

TK 262

A

1674-1951（2015）08-0001-05

陳遠(yuǎn)東（1982—），男，湖北廣水人，工程師，工學(xué)碩士，從事葉輪機(jī)氣體動(dòng)力學(xué)方面的研究（E-mail：chenyuandong＠longwei.cn）。

2015-01-15；

2015-06-19