曹麗華，尹曉龍，李　勇

(東北電力大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

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600MW空冷汽輪機(jī)末級葉片脫流現(xiàn)象的研究

曹麗華，尹曉龍，李勇

(東北電力大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

摘要：采用CFX軟件對某600 MW空冷汽輪機(jī)低壓缸內(nèi)末級流道內(nèi)濕蒸汽或工質(zhì)的流動規(guī)律進(jìn)行數(shù)值研究。結(jié)果表明：在同一質(zhì)量流量工況下，隨著背壓的升高，末級動葉上的脫流越來越嚴(yán)重。在背壓為11 kPa(額定背壓)工況時，葉片上未出現(xiàn)脫流現(xiàn)象。隨著背壓的升高，動葉葉片根部脫流區(qū)域未變，由葉根至5%葉高處，而頂部脫流區(qū)域增大，由90%葉高至葉頂處變?yōu)?0%葉高至葉頂處。同一背壓下，隨著質(zhì)量流量的減小，脫流區(qū)在葉頂處明顯增大，可以擴(kuò)展到70%葉高至葉頂處，背壓升高或流量降低加劇了動葉上的徑向流。

關(guān)鍵詞：空冷汽輪機(jī)；末級；背壓；質(zhì)量流量；脫流

空冷汽輪機(jī)的排汽通過空氣進(jìn)行直接冷卻或間接冷卻，節(jié)約了冷卻用水。因此，在富煤缺水地區(qū)得到了廣泛發(fā)展。然而與凝汽式汽輪機(jī)相比，空冷汽輪機(jī)組的設(shè)計背壓高且變化大，尤其是在夏季背壓較高和容積流量較小時，末級葉片的工作條件十分惡劣[1-11]。因此，對高背壓和小流量工況下空冷汽輪機(jī)的末級流動開展研究對于保證機(jī)組的安全運行具有重要的意義。

近年來，已有學(xué)者對空冷汽輪機(jī)末級的流動及背壓的變化開展研究。綦蕾等人[12]通過數(shù)值模擬的方法分析了空冷汽輪機(jī)末兩級的流動，證明在小容積流量工況下，動葉入口存在較大的負(fù)攻角，使流道內(nèi)出現(xiàn)大尺度脫流。巫志華等[13]人使用三種不同的計算方法對低壓汽輪機(jī)末級葉柵三維濕蒸汽兩相流動進(jìn)行了模擬和分析，計算表明三種模式下水滴生成的過程對汽流角度有影響。邵帥等[14]人通過CFX模擬了低壓末級改變質(zhì)量流量條件下葉片的脫流情況。張仲彬等[15]、蘇天一等[16]人采用FLUENT軟件對汽輪機(jī)內(nèi)小容積流量下多級流動和管道內(nèi)流動進(jìn)行分析研究，得出了小容積流量下汽輪機(jī)級內(nèi)的脫流及渦流形式。卜永東等人[17]研究了在不同環(huán)境條件下，機(jī)組負(fù)荷與背壓之間的關(guān)系。李平等人[18]對具有阻尼拉金的汽輪機(jī)末級流動進(jìn)行了研究，認(rèn)為阻尼拉金對流動有很大影響。廖光明等人[19]分析了直接空冷汽輪機(jī)背壓變化對效率的影響。高建強等人[20]建立了經(jīng)濟(jì)背壓模型，分析背壓對效率及熱耗的影響，認(rèn)為背壓升高時，效率降低，熱耗增加。

但上述文章均未對空冷汽輪機(jī)背壓在大范圍變動及汽輪機(jī)流量變動時的末級脫流位置進(jìn)行研究。為了得到當(dāng)汽輪機(jī)負(fù)荷、背壓均變化時末級流道內(nèi)的流動及脫流位置的變動情況，本文分析了背壓和汽量變化時空冷汽輪機(jī)末級的流動規(guī)律，研究末級動葉上的脫流位置，對空冷汽輪機(jī)的安全運行具有一定的指導(dǎo)意義。

圖1　計算模型和網(wǎng)格劃分

1計算模型和數(shù)值方法

1.1計算模型和網(wǎng)格劃分

本文以某600 MW空冷汽輪機(jī)末級作為研究對象，計算模型及網(wǎng)格劃分如圖1所示，網(wǎng)格采用六面體網(wǎng)格，不同葉柵之間用Interface來融合網(wǎng)格，其中動葉網(wǎng)格做加密處理，計算模型為2個靜葉，3個動葉，網(wǎng)格數(shù)約為24萬。

1.2網(wǎng)格無關(guān)性驗證

為了確定網(wǎng)格數(shù)對計算準(zhǔn)確性的影響，本文進(jìn)行了網(wǎng)格數(shù)無關(guān)性。以末級流道內(nèi)最大速度值為參考參數(shù)，在背壓為11 kPa，質(zhì)量流量為設(shè)計流量工況下，不同網(wǎng)格數(shù)條件下流道內(nèi)最大速度值如表1所示，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)達(dá)到24萬時，流道內(nèi)最大速度值穩(wěn)定。在網(wǎng)格數(shù)大于24萬時，流道內(nèi)最大速度值基本不變，但收斂速度較慢。因此，在保證計算精度和速度的情況下取網(wǎng)格數(shù)約為24萬。

表1　計算模型網(wǎng)格信息

1.3數(shù)值方法及邊界條件

CFX的計算原理在文獻(xiàn)[21]中有詳細(xì)介紹，在這里不再贅述。本文采用計算流體力學(xué)軟件CFX求解三維定常粘性雷諾時均N-S方程；數(shù)值方法采用基于有限元體積法，計算湍流模型為k-ε模型，差分格式為高階求解模式，收斂殘差限設(shè)置為10-4數(shù)量級；計算工質(zhì)為濕蒸汽，計算模型出、入口設(shè)定為壓力出口、質(zhì)量流量入口；動葉葉片設(shè)定為旋轉(zhuǎn)，整個動葉域為旋轉(zhuǎn)域；交界面處理方法選用凍結(jié)轉(zhuǎn)子法。

2空冷汽輪機(jī)末級流場分析

2.1不同背壓同一質(zhì)量流量工況

圖2為空冷汽輪機(jī)組末級在同一質(zhì)量流量、不同背壓工況下末級流場的三維流線圖。從圖中可看到，圖2(a)是背壓為11 kPa(額定工況)的三維流線圖，額定工況下末級的流線從靜葉入口進(jìn)入，在靜葉中做加速流動，在動葉中做減速流動，且流線平滑。圖2(b)-圖2(e)分別為當(dāng)背壓為20 kPa、30 kPa、35 kPa、40 kPa變工況條件下的末級三維流線圖，與額定背壓11 kPa工況下不同之處在于，動葉的葉根及動葉頂部入口處脫流現(xiàn)象越加嚴(yán)重。

圖2　不同背壓工況下末級三維流線圖

通過圖2可看出，背壓為11 kPa(額定背壓)工況時，葉片上未出現(xiàn)脫流現(xiàn)象；背壓為20 kPa時，動葉葉片由葉根至5%葉高處和90%葉高至葉頂處為脫流區(qū)；背壓為30 kPa時，動葉葉片由葉根至5%葉高處和80%葉高至葉頂處為脫流區(qū)；背壓為35 kPa時，動葉葉片由葉根至5%葉高處和75%葉高至葉頂處為脫流區(qū)；背壓為40 kPa時，動葉葉片由葉根至5%葉高處和70%葉高至葉頂處為脫流區(qū)。由此數(shù)據(jù)可知，隨著背壓的升高，動葉頂部入口處出現(xiàn)明顯的脫流、渦流現(xiàn)象，流體在動葉上的徑向流動也越發(fā)明顯，脫流、渦流及嚴(yán)重的徑向流動破壞了級內(nèi)的穩(wěn)定流動，使級內(nèi)流動越發(fā)混亂，致使動葉在沿葉高方向上受力不均，對汽輪機(jī)末級動葉的正常運行存在重大影響。

下面以額定背壓11 kPa和背壓20 kPa進(jìn)行對比研究，分析在不同背壓工況下動葉在沿葉高方向上流體流動的不同。

在額定背壓11 kPa工況下末級動葉沿葉高方向截面圖，如圖3所示。在圖3中分別顯示了10%、50%、90%葉高處的截面。在動葉內(nèi)流線穩(wěn)定，但隨著葉高的增加，動葉內(nèi)流速逐漸增加。在背壓為11 kPa的工況下沿葉高方向上流體的流動情況變化不大，一直處于穩(wěn)定的流動狀態(tài)。

圖3　額定背壓11 kPa和背壓20 kPa動葉不同葉高處流線

背壓為20 kPa的變工況條件下末級動葉沿葉高方向上的流線的變化圖，如圖4所示。圖4(a)、圖4(b)、圖4(c)分別為背壓為20 kPa工況下末級動葉10%、50%、90%葉高處的截面流線圖，圖4(a)為流線在流道內(nèi)流動穩(wěn)定，與背壓為11 kPa工況相對比流動形式基本相同，速度有略微的變化。沿葉高方向上，隨著截面的增高，不同之處呈現(xiàn)越加明顯，50%葉高處動葉壓力面弦長80%處出現(xiàn)明顯的渦流，渦流量沿葉高方向有增大趨勢。原因在于背壓的升高偏離了汽輪機(jī)的額定工況，造成末級動葉內(nèi)流動受阻，迫使流體沿徑向流動分量增大。

2.2同一背壓不同質(zhì)量流量工況

當(dāng)背壓為11 kPa時，靜葉入口質(zhì)量流量分別為額定質(zhì)量流量30%、50%、80%工況下三維流線圖，如圖4所示。當(dāng)質(zhì)量流量為80%時級內(nèi)的流動與額定工況下相似，只有在葉根處出現(xiàn)了微弱的脫流現(xiàn)象；當(dāng)質(zhì)量流量為50%時，動葉的根部出現(xiàn)了明顯的脫流，動葉頂部出現(xiàn)了微弱的脫流現(xiàn)象，動葉葉片由葉根至5%葉高處和90%葉高至葉頂處為脫流區(qū)，并且動葉徑向流量明顯增大，不可忽視；當(dāng)質(zhì)量流量達(dá)到30%時，動葉的葉根、葉頂處均出現(xiàn)明顯的脫流現(xiàn)象，動葉葉片由葉根至5%葉高處和70%葉高至葉頂處為脫流區(qū)，且徑向流現(xiàn)象嚴(yán)重，嚴(yán)重影響了末級的正常流動。出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因是當(dāng)流量低于額定工況流量時，汽輪機(jī)是小容積流量工況運行。

圖4　不同質(zhì)量流量工況下三維流線圖

3結(jié)論

(1)末級動葉內(nèi)的脫流高度、位置與背壓有直接關(guān)系。在同一質(zhì)量流量工況下，隨著背壓的升高，末級動葉上的脫流越來越嚴(yán)重。額定背壓工況時，葉片上未出現(xiàn)脫流現(xiàn)象；但當(dāng)背壓升高為40 kPa時，70%葉高至葉頂處均為脫流區(qū)，而葉根的脫流區(qū)始終為葉根至5%葉高處。

(2)級內(nèi)流量的變化也影響末級動葉上的脫流高度。同一背壓下，級內(nèi)流量越小，脫流區(qū)域越大。在額定背壓為11 kPa，質(zhì)量流量不斷減少時，動葉根部脫流區(qū)均為葉根至5%葉高處；而葉頂不同，級內(nèi)流量為設(shè)計流量的80%時，葉頂未脫流，但當(dāng)級內(nèi)流量為設(shè)計流量的30%時，70%葉高至葉頂處均為脫流區(qū)。

參考文獻(xiàn)

[1]周顯丁，曹守洪，王順德，等.3000r/min大型空冷汽輪機(jī)新型863mm末級葉片開發(fā)設(shè)計及應(yīng)用驗證[J].東方汽輪機(jī)，2015，3(1)：16-19.

[2]謝龍漢，趙新宇，張炯明.ANSYS CFX流體分析及仿真[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.

[3]黃樹紅.汽輪機(jī)原理[M].北京：中國電力出版社，2008.

[4]宋海民，孫寶金.熱電廠供熱機(jī)組末級動葉出汽邊水蝕的分析[J].煤炭技術(shù)，2003，22(4)：101-102.

[5]楊曉東，陶得平.有關(guān)蒸汽輪機(jī)失速顫振模型的一個實驗[J].北京航空學(xué)院學(xué)報，1986，16(4)：85-92.

[6]周盛，鄭叔琛.蒸汽輪機(jī)葉片顫振研究[J].力學(xué)與實踐，1986，10(1)：13-17.

[7]Z.Mazur，A.Hernandez-Rossette，R.Garclla-Illescas.Investigation of the Failure of the L-0 Blade.Engineering Failure Analysis[J].2006，13(8)：1338-1350.

[8]Xiande Fang，Qiumin Dai，Yanxin Yin，et al.A compact and Accurate Empirical Model for Turbine Mass Flow Characteristics[J].Energy，2010，35(12)：4819-4823.

[9]韓占忠，王敬，蘭小平.FLUENT流體工程仿真計算實例與應(yīng)用[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2004.

[10] 趙亞英，甘代偉，修學(xué)強.汽輪機(jī)末級葉片動力特性的有限元分析[J].沈陽理工大學(xué)學(xué)報，2013，32(1)：46-50.

[11] 謝永慧，張荻.大功率汽輪機(jī)末級長葉片三維動態(tài)應(yīng)力及服役壽命的研究[J].動力工程，2007，27(1)：11-15.

[12] 綦蕾，鄒正平，陸宏志，等.空冷汽輪機(jī)末兩級變工況三維流動的數(shù)值模擬[J].動力工程，2005，25(5)：647-651.

[13] 巫志華，李亮，豐鎮(zhèn)平.低壓汽輪機(jī)三維葉柵通道內(nèi)濕蒸汽兩相流動的數(shù)值模擬與分析[J].工程熱物理學(xué)報，2007，28(5)：763-765.

[14] 邵帥，鄧清華，時和雙，等.不同容積流量下汽輪機(jī)低壓缸末三級定常流動數(shù)值研究[J].西安交通大學(xué)學(xué)報，2013，47(1):15-20.

[15] 張仲彬，田艷靜，曹麗華，等.小容積流量工況下汽輪機(jī)級內(nèi)流場的數(shù)值分析[J].化工機(jī)械，2013，40(1)：94-97..

[16] 蘇天一，石志標(biāo).液體管道泄漏的流場模擬與空泡噪聲分析[J].東北電力大學(xué)學(xué)報，2013，33(3)：35-37.

[17] 卜永東，楊立軍，杜小澤，等.電站空冷系統(tǒng)變工況性能的數(shù)值研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2012，32(35)：66-73.

[18] 李平，張荻，何林，等.具有阻尼拉金的汽輪機(jī)末級三維流動特性研究[J].熱科學(xué)與技術(shù)，2011，10(2):159-165.

[19] 廖光明，王艷，高建強，等.背壓變化對300MW直接空冷機(jī)組經(jīng)濟(jì)性影響的計算與分析[J].發(fā)電技術(shù)，2012，25(3):38-42.

[20] 高建強，陳冠兵，薛楠楠.直接空冷機(jī)組經(jīng)濟(jì)背壓計算模型及其應(yīng)用[J].動力工程學(xué)報，2014，34(2):153-158.

[21] CFX-TASCFLOW User documentation Version 2.10.AEA Technology Software Limited Waterloo[S].Ontario:Canada(N2L5Z4),2000.

Research on the Phenomenon of Flow Separation of Last Stage in a 600MW Air-cooling Turbine

CAO Li-hua，YIN Xiao-long，LI Yong

(Energy Resource and Power Engineering College，Northeast Dianli University，Jilin Jilin 132012)

Abstract：The flow pattern of wet steam of the last stage in low-pressure cylinder of a 600MW air-cooling turbine was numerically researched by CFX software.The results show that with the increase of the back pressure，the phenomenon of flow separation in the last stage gets worse and worse under the same condition of mass flow.When the back pressure is 11kPa，the phenomenon of flow separation does not be observed on the blade in the last stage.With the increase of the back pressure，the flow separation in rotor blade root has not changed from the blade root to 5% blade height，but the flow separation area in the blade tip increases，and its distribution which is from 90% blade height to the blade tip becomes from 70% blade height to the blade tip.In addition，with the decrease of mass flow rate，flow separation area increases in the part of the blade tip，and its distribution extends from 70% blade height to the blade tip under the same back pressure.The radial flow can be exacerbated when back pressure increases or mass flow decreases.

Key words：Air-cooling turbine;Last stage;Back pressure;Mass flow rate;Flow separation

收稿日期：2016-01-12

作者簡介：曹麗華(1973-)，女，黑龍江省克山縣人，東北電力大學(xué)能源與動力工程學(xué)院教授，博士，主要研究方向：汽輪機(jī)及其輔助機(jī)的狀態(tài)監(jiān)測與優(yōu)化.

文章編號：1005-2992(2016)02-0062-05

中圖分類號：TK263

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A