鐘剛云，　李　軍，　霍文浩，　范小平

(1.東方汽輪機有限公司，四川德陽 618000；2.西安交通大學(xué) 葉輪機械研究所，西安 710049)

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超超臨界汽輪機合缸軸端漏汽量對中壓第1級透平級冷卻性能的影響

鐘剛云1，李軍2，霍文浩2，范小平1

(1.東方汽輪機有限公司，四川德陽 618000；2.西安交通大學(xué) 葉輪機械研究所，西安 710049)

摘要：采用耦合流場計算和共軛傳熱的方法，研究了超超臨界汽輪機合缸軸端(過橋)汽封漏汽量(即軸端漏汽量)對中壓第1級動葉及葉輪冷卻性能的影響，對無蒸汽冷卻、蒸汽冷卻和軸端漏汽時中壓第1級透平級的冷卻性能進(jìn)行了對比，并分析了3種軸端漏汽量時中壓第1級透平級的冷卻效果.結(jié)果表明：隨著軸端漏汽量的增大，中壓第1級透平級效率逐漸下降；當(dāng)軸端漏汽量為9.68 kg/s時，相比于無軸端漏汽時透平級效率降低了0.68%；軸端漏汽對中壓第1級部件的冷卻機理與冷卻蒸汽相同，二者冷卻效果的不同主要是由于其流量和溫度不同；與蒸汽冷卻相比，隨著軸端漏汽量的增大，冷卻蒸汽與軸端漏汽的混合蒸汽對葉根的冷卻效果減弱，導(dǎo)致葉根溫度整體上升，但溫度梯度減小.

關(guān)鍵詞：超超臨界汽輪機； 蒸汽冷卻； 軸端漏汽； 數(shù)值模擬

超超臨界汽輪機進(jìn)口參數(shù)不斷提高會導(dǎo)致高溫部件承受的熱載荷增加，從而發(fā)生熱疲勞和高溫蠕變，因此在采用新型耐高溫材料提高部件熱力學(xué)性能的同時，還需要設(shè)計先進(jìn)主動冷卻技術(shù)，以防止葉片和轉(zhuǎn)子等部件過熱，并降低熱應(yīng)力水平.采用蒸汽冷卻技術(shù)對超超臨界汽輪機高溫部件進(jìn)行冷卻的原理在于通過引入冷卻蒸汽對高溫部件進(jìn)行對流換熱冷卻.蒸汽冷卻技術(shù)及其應(yīng)用為超臨界和超超臨界機組的安全運行提供了技術(shù)保障[1].

國內(nèi)外研究人員采用數(shù)值模擬和理論分析的方法開展了超超臨界汽輪機中壓再熱透平級蒸汽冷卻性能的研究.史進(jìn)淵等[2]綜述了超臨界和超超臨界汽輪機蒸汽冷卻技術(shù)，給出了蒸汽冷卻技術(shù)的設(shè)計原則.Bohn等[3]通過數(shù)值模擬研究了汽輪機靜葉采用內(nèi)部冷卻方法的可行性及其冷卻效果，指出葉片前緣受到進(jìn)口主蒸汽的直接沖擊，承受的熱載荷較大，并建議通過增大前緣冷卻孔直徑等方式來增大前緣通道冷卻蒸汽流量，從而改善該處的冷卻效果.呂智強等[4]研究了冷卻蒸汽進(jìn)口總壓對轉(zhuǎn)子冷卻效果的影響.霍文浩等[5]采用共軛傳熱的方法研究了中壓再熱透平級蒸汽冷卻性能及其影響機制，獲得了被冷卻動葉固體溫度分布.倪永中等[6]采用數(shù)值模擬方法分析了不同冷卻蒸汽流量對再熱蒸汽流場的干擾程度以及對機組熱效率的影響.Wróblewski[7]借鑒燃?xì)廨啓C葉片冷卻方法研究了超臨界汽輪機葉片冷卻性能.Huo等[8]分析了冷卻蒸汽流量對中壓再熱透平級蒸汽冷卻效果的影響.霍文浩等[9]研究了冷卻孔結(jié)構(gòu)對蒸汽冷卻性能的影響，指出冷卻孔結(jié)構(gòu)的設(shè)計可以在獲得最佳冷卻效果的同時降低被冷卻部件固體區(qū)域的溫度梯度.

超超臨界汽輪機高、中壓合缸布置導(dǎo)致少量高壓缸蒸汽通過軸端(過橋)汽封向中壓缸泄漏，其泄漏量一般為中壓缸進(jìn)口再熱蒸汽流量的1%～2%.這一方面會使高壓缸做功損失和機組熱耗增加，另一方面由于其焓值低于中壓缸進(jìn)口再熱蒸汽焓值，在進(jìn)入中壓第1級后與主蒸汽的摻混會導(dǎo)致級熱力性能下降.研究表明，350～700 MW機組中1%主蒸汽流量的漏汽對機組熱耗率的影響在0.22%～0.26%.而機組實際運行中由于軸端汽封容易出現(xiàn)磨損而導(dǎo)致實際漏汽量可能達(dá)到設(shè)計值的3～4倍，因此實際運行中軸端漏汽影響一直是研究和關(guān)注的重點.軸端漏汽對中壓缸蒸汽冷卻的影響程度取決于漏汽與冷卻蒸汽的流量差和溫度差，目前軸端漏汽對超超臨界汽輪機中壓再熱透平級蒸汽冷卻性能的影響還需要深入研究.筆者采用耦合流場計算和共軛傳熱的方法，研究了軸端漏汽對中壓再熱第1級(以下簡稱中壓第1級)透平級蒸汽冷卻性能的影響，并對比分析了軸端漏汽和蒸汽冷卻技術(shù)的冷卻效果.

1計算模型和數(shù)值方法

圖1為中壓缸再熱第1級透平級蒸汽冷卻計算模型子午流道圖.計算模型由流體域和固體域組成，流體域包括第1級葉柵流道、隔板與動葉輪盤間的腔室和蒸汽冷卻孔；固體域包括第1級動葉、輪盤和部分轉(zhuǎn)子.冷卻蒸汽從進(jìn)口2進(jìn)入，圖1給出了軸端漏汽的進(jìn)汽位置.流體域的計算與蒸汽冷卻流場計算域完全一致，采用耦合流場計算和共軛傳熱方法研究蒸汽冷卻性能.圖2給出了葉根冷卻孔結(jié)構(gòu)和周圍葉根與輪緣結(jié)構(gòu)的計算網(wǎng)格.圖3給出了葉片固體域和周圍葉柵流道流體域的計算網(wǎng)格.

圖1　中壓第1級透平級蒸汽冷卻計算模型

Fig.1Computational model for steam cooling performance in the first-stage of IP cylinder

基于FineTM/Turbo進(jìn)行計算，流體域內(nèi)求解三維Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS)方程，計算工質(zhì)采用可凝結(jié)水蒸氣(Condensable Water Steam)，紊流模型采用Spalart-Allmaras一方程模型，并加載了共軛傳熱模塊進(jìn)行冷卻傳熱分析.采用共軛傳熱方法模擬同時存在流體域和固體域模型條件下的流固間耦合換熱.流體域與固體域耦合面以及固體域之間均采用熱連接面，固體域外側(cè)壁面設(shè)為絕熱.考慮到固體域的溫度分布主要取決于葉柵流道和隔板汽封中蒸汽的傳熱作用，流體域與固體域之間采用式(1)進(jìn)行熱通量耦合計算。

(1)

式中：h=k/Δy為換熱面流體側(cè)和固體側(cè)的傳熱系數(shù)，k為熱導(dǎo)率，Δy為換熱面兩側(cè)網(wǎng)格法向尺寸；T為溫度，下標(biāo)f、w和s分別代表流體側(cè)、換熱面和固體側(cè).

在耦合計算中，流體側(cè)的熱導(dǎo)率根據(jù)當(dāng)?shù)氐牧黧w溫度從水蒸氣熱力性質(zhì)數(shù)據(jù)庫中自動插值求取，固體側(cè)給定了熱導(dǎo)率隨溫度的變化曲線.

(a)葉根與輪緣的網(wǎng)格

(b)冷卻孔與上下游腔室網(wǎng)格

(a)葉片流道與固體域網(wǎng)格(b)葉片表面網(wǎng)格

圖3葉片固體域和周圍葉柵流道流體域的計算網(wǎng)格

Fig.3Computational grid for the solid domain of blade and the fluid domain of blade passage

不考慮軸端漏汽時所采用的網(wǎng)格數(shù)分別為279萬(網(wǎng)格1)、373萬(網(wǎng)格2)、473萬(網(wǎng)格3)和550萬(網(wǎng)格4)，進(jìn)行蒸汽冷卻性能的網(wǎng)格無關(guān)性驗證.以279萬網(wǎng)格為基礎(chǔ)，分別在3個方向同時對網(wǎng)格進(jìn)行逐步加密，并保持固壁面第一層網(wǎng)格距離不變.進(jìn)出口邊界條件給定進(jìn)口總壓、總溫和出口靜壓，如表1所示.

表1　進(jìn)出口邊界條件

圖4給出了透平級效率η與計算網(wǎng)格的關(guān)系.由圖4可知，透平級效率隨網(wǎng)格密度的增加而逐漸下降，降幅逐漸減小并趨于某一定值.這說明隨著網(wǎng)格的加密，透平級效率的求解精度逐步提高，對網(wǎng)格變化的敏感度降低.

圖4　透平級效率與計算網(wǎng)格的關(guān)系

圖5給出了采用不同網(wǎng)格數(shù)計算獲得的葉根和輪盤前表面節(jié)點溫度T的分布，其中縱坐標(biāo)r/b為輪盤節(jié)點半徑r與盤腔出口截面半徑b之比.從圖5可以看出，不同網(wǎng)格數(shù)計算得到的表面節(jié)點溫度分布基本一致.考慮到流固間耦合換熱研究所需的計算資源和時間，筆者采用473萬網(wǎng)格數(shù)進(jìn)行蒸汽冷卻性能的分析.

圖5　動葉葉輪輪盤前表面節(jié)點溫度分布

2結(jié)果與分析

對無蒸汽冷卻、蒸汽冷卻和軸端漏汽時中壓第1級透平級蒸汽冷卻性能進(jìn)行了計算.在考慮蒸汽冷卻時，研究了不同軸端漏汽量對冷卻蒸汽與軸端漏汽摻混后中壓第1級透平級蒸汽冷卻性能的影響.

2.1軸端漏汽的冷卻作用

流入第1級前部盤腔的高壓缸泄漏的蒸汽溫度低于中壓缸進(jìn)口主蒸汽溫度，故對第1級轉(zhuǎn)子、輪盤和葉根等部件具有冷卻作用.所計算的軸端漏汽量與冷卻蒸汽質(zhì)量流量均為4.88 kg/s，為進(jìn)口再熱蒸汽質(zhì)量流量的0.92%，但冷卻蒸汽與軸端漏汽的進(jìn)口溫差為-100.74 K.

圖6比較了無蒸汽冷卻且忽略軸端漏汽的盤腔流場、采用蒸汽冷卻以及只考慮軸端漏汽的盤腔流場結(jié)構(gòu).由圖6可知，冷卻蒸汽或軸端漏汽均能抑制前部盤腔主蒸汽流入.冷卻蒸汽導(dǎo)致輪盤表面攜帶流動層較厚，因此在“轉(zhuǎn)靜盤”作用下引起大范圍的漩渦結(jié)構(gòu)，且被抑制在隔板側(cè).軸端漏汽進(jìn)口流動比較順暢，只在進(jìn)口上側(cè)角落處形成小范圍的角渦，并且沿輪盤表面的流動與冷卻蒸汽類似，同樣受“轉(zhuǎn)靜盤”作用，出現(xiàn)靠近隔板側(cè)大范圍的漩渦結(jié)構(gòu).軸端漏汽與冷卻蒸汽的不同之處在于盤腔上部沒有產(chǎn)生漩渦結(jié)構(gòu)，軸端漏汽直接流向輪緣密封.

(a)無蒸汽冷卻(b)蒸汽冷卻

(c)軸端漏汽

Fig.6Flow field respectively in front and aft cavity of the rotor blade wheel disk

圖7對比了無蒸汽冷卻(工況1)、蒸汽冷卻(工況2)和軸端漏汽(工況3)3種工況下透平級效率.冷卻蒸汽與軸端漏汽的進(jìn)口溫差為-100.74 K，導(dǎo)致葉根冷卻孔進(jìn)口處蒸汽溫差為-99.74 K，前部盤腔輪緣密封截面溫差減小為-86.22 K.冷卻蒸汽進(jìn)口流量與軸端漏汽量相同、盤腔流動結(jié)構(gòu)相近導(dǎo)致通道蒸汽流量分配相近，因此蒸汽冷卻和軸端漏汽導(dǎo)致透平級效率的不同主要是由二者自身溫度(進(jìn)口焓值)的不同而引起的.

圖7　透平級效率比較

圖8為蒸汽冷卻和軸端漏汽時透平級盤腔內(nèi)流體域的溫度等值線云圖.圖9為動葉固體域的溫度等值線云圖.從圖8和圖9可以看出，冷卻蒸汽與軸端漏汽進(jìn)口溫差所引起的前部盤腔溫差約為-100 K，后部盤腔溫差約為-30 K.由于軸端漏汽溫度較高，通過比較盤腔內(nèi)溫度可知，軸端漏汽工況下前后部盤腔內(nèi)溫度高于蒸汽冷卻工況.蒸汽冷卻與軸端漏汽工況下的葉根溫度分布趨勢一致，其中葉根前端溫差為-98 K，后端溫差下降到-63 K.在軸端漏汽的冷卻作用下，葉根底部與葉片最大溫差約為76 K.

(a)蒸汽冷卻

(b)軸端漏汽

Fig.8Temperature contours in front and aft cavity of the rotor blade wheel disk

(a)蒸汽冷卻(b)軸端漏汽

圖9動葉固體域溫度等值線云圖

Fig.9Temperature contours in solid domain of the rotor blade

圖10給出了動葉表面溫度分布的比較.圖10(a)中LEC和LEL分別表示蒸汽冷卻和軸端漏汽時動葉前緣的溫度分布，TEC和TEL分別表示蒸汽冷卻和軸端漏汽時動葉尾緣的溫度分布.圖10(b)中5%葉高-蒸汽冷卻和5%葉高-軸端漏汽分別表示蒸汽冷卻和軸端漏汽時動葉5%葉高截面的溫度分布，50%葉高-蒸汽冷卻和50%葉高-軸端漏汽分別表示蒸汽冷卻和軸端漏汽時動葉中葉展截面的溫度分布，x為弦長方向坐標(biāo)，PS表示壓力面，LE表示前緣，SS表示吸力面.從圖10可以看出，冷卻蒸汽和軸端漏汽對葉片前緣溫度分布的影響有限，尾緣處最大溫差為4 K，其變化范圍達(dá)到了約62%葉高.動葉近葉根表面受入流蒸汽直接沖擊的低溫區(qū)溫差達(dá)到18 K左右.軸端漏汽工況下中葉展靠近尾緣處的表面溫度偏高.

由于冷卻蒸汽流量與軸端漏汽量相同且在輪盤側(cè)具有相似的流動結(jié)構(gòu)，冷卻蒸汽與軸端漏汽對部件冷卻效果的不同主要是由于自身溫度不同而引起的.圖11給出了3種工況下中壓第1級動葉葉輪輪盤前后表面節(jié)點溫度分布.由圖11可知，與無蒸汽冷卻工況相比，冷卻蒸汽對葉根和輪盤前表面的冷卻作用導(dǎo)致溫度降幅在150 K左右，而軸端漏汽引起的固體溫度降幅約為50 K.軸端漏汽對葉根和輪盤后表面的冷卻效果進(jìn)一步減弱，并且后部盤腔冷卻孔上部的漩渦流動對壁面沒有冷卻作用，表面節(jié)點溫度呈線性升高.

(a)前緣和尾緣

(b)5%和50%葉高

2.2軸端漏汽量的影響

為了研究軸端漏汽量對中壓第1級透平級蒸汽冷卻效果的影響，在考慮蒸汽冷卻的同時，計算了軸端漏汽量qm分別為0 kg/s、2.42 kg/s(即再熱蒸汽質(zhì)量流量的0.46%)、4.84 kg/s和9.68 kg/s(即再熱蒸汽質(zhì)量流量的1.84%)4種工況.

圖12給出了透平級效率隨軸端漏汽量的變化,其中每個點對應(yīng)的2個數(shù)字中第1個數(shù)字表示冷卻蒸汽質(zhì)量流量,第2個數(shù)字表示軸端漏汽量.從圖12可以看出，少量的軸端漏汽對透平級效率的影響有限，而當(dāng)軸端漏汽量增大到9.68 kg/s時透平級效率降低了0.68%.當(dāng)軸端漏汽量增大時，冷卻孔的流量變化不大，而增多的軸端漏汽與冷卻蒸汽混合進(jìn)入動葉葉根通道并與其相互作用，增加了動葉葉根的葉端損失.由此可知，實際運行中軸端漏汽量設(shè)計值偏大或者由于軸端汽封磨損而導(dǎo)致軸端漏汽量增大都會影響中壓第1級透平級效率.

圖13給出了3種軸端漏汽量時盤腔內(nèi)的流場特性.如圖13(b)所示，當(dāng)軸端漏汽量為2.42 kg/s時，軸端漏汽在冷卻蒸汽進(jìn)口下部旋流后沿輪盤表面向上流動，導(dǎo)致冷卻蒸汽沿徑向的流動被推向隔板側(cè).通過冷卻孔流入后部盤腔的軸端漏汽同樣隔離了入流主蒸汽對葉根和輪盤后壁面的直接加熱.當(dāng)軸端漏汽量增大到冷卻蒸汽流量的2倍時，軸端漏汽在冷卻蒸汽進(jìn)口位置不再產(chǎn)生漩渦結(jié)構(gòu)，并且在輪盤表面的流動層厚度顯著增加，進(jìn)一步將冷卻蒸汽推向隔板側(cè).

(a)前表面

(b)后表面

Fig.11Temperature distribution on front and aft surface of the rotor blade wheel disk

圖12　透平級效率隨軸端漏汽量的變化

圖14給出了冷卻孔質(zhì)量流量qm,h和輪緣密封處通流質(zhì)量流量qm,s隨軸端漏汽量的變化，其中橫坐標(biāo)f表示軸端漏汽量占主蒸汽流量的比例.通過葉根冷卻孔的質(zhì)量流量為9.68 kg/s，相比于無軸端漏汽時最大增大了87.20%，冷卻孔出口射流沖擊后部盤腔隔板側(cè)并全部向下流動，從而破壞了上部入流主蒸汽沿隔板側(cè)的流動，導(dǎo)致入流主蒸汽占據(jù)盤腔上部區(qū)域，從而對相鄰葉根和輪盤后壁面進(jìn)行直接加熱(見圖13).

(a)qm=0 kg/s

(b)qm=2.42kg/s(c)qm=9.68kg/s

圖13動葉葉輪前后部盤腔軸端漏汽與冷卻蒸汽摻混后的流場特性

Fig.13Mixing flow field of leakage steam and coolant flow in front and aft cavity of the rotor blade wheel disk

(a)冷卻孔

(b)輪緣密封

不同工況下葉根冷卻孔質(zhì)量流量及進(jìn)出口溫度如圖14(a)所示，其中質(zhì)量流量均為單周期數(shù)值.從圖14(a)可以看出，葉根冷卻孔質(zhì)量流量隨軸端漏汽量增大而呈近似線性增大的趨勢，并且在混合蒸汽總體流量中所占比例逐漸減小，即軸端漏汽量占軸流軸端漏汽量與冷卻蒸汽流量之和的比例從25.49%減小到15.91%，說明軸端漏汽量的增大對后部盤腔的影響受到冷卻孔結(jié)構(gòu)和尺寸的限制，同時冷卻孔進(jìn)出口蒸汽平均溫度隨軸端漏汽量的增大而逐漸上升，進(jìn)出口溫差由6.68 K逐漸下降到1.5 K.前部盤腔輪緣密封通流混合蒸汽質(zhì)量流量最大增大了234.11%.

圖15為3種軸端漏汽量時盤腔內(nèi)溫度等值線云圖.如圖15(b)所示，冷卻蒸汽(溫度為676.07 K)與軸端漏汽(軸端漏汽量為2.42 kg/s，溫度為776.81 K)在前部盤腔內(nèi)混合導(dǎo)致盤腔內(nèi)溫度保持在710～720 K，因此對葉根和輪盤前表面具有良好的冷卻效果.后部盤腔內(nèi)葉根冷卻孔出流蒸汽阻止了入流主蒸汽對葉根和輪盤后表面的直接加熱，但由于這部分蒸汽自身溫度較高，并且受高溫入流主蒸汽的加熱和固體導(dǎo)熱作用的影響，蒸汽溫度上升到820 K左右，因此并沒有對相鄰固壁產(chǎn)生明顯的冷卻效果.當(dāng)軸端漏汽量增大到9.68 kg/s時，前部盤腔內(nèi)溫度上升到740～750 K.后部盤腔上部被入流主蒸汽占據(jù)，其溫度上升到830 K左右.

(a)qm=0 kg/s

(b)qm=2.42 kg/s

(c)qm=9.68 kg/s

圖16為受冷卻蒸汽和軸端漏汽冷卻的動葉固體域溫度等值線云圖.從圖16可以看出，與蒸汽冷卻效果相比，冷卻蒸汽與軸端漏汽的混合蒸汽對葉根的冷卻效果減弱，導(dǎo)致葉根溫度分布整體上升，但溫度梯度減小.葉根溫度隨軸端漏汽流量的增大進(jìn)一步升高.

(a)qm=0kg/s(b)qm=2.42kg/s(c)qm=9.68kg/s

圖163種軸端漏汽量時動葉固體域溫度等值線云圖

Fig.16Temperature contours in solid domain of the rotor blade at 3 shaft leakage flow rates

圖17給出了3種軸端漏汽量時輪盤前后表面節(jié)點溫度分布.從圖17可以看出，3種軸端漏汽量時葉根和輪盤前表面分別被冷卻蒸汽和軸端漏汽所覆蓋，前表面流動層內(nèi)蒸汽溫度的不同導(dǎo)致其徑向節(jié)點溫度分布存在差異，但其溫度分布規(guī)律一致.而后表面節(jié)點溫度存在較大差異，主要體現(xiàn)在葉根冷卻孔以上區(qū)域.蒸汽冷卻工況下該處被向上流動的冷卻蒸汽漩渦分支覆蓋，這部分冷卻蒸汽對相鄰葉根和輪盤后壁面強烈的冷卻作用導(dǎo)致該處溫度最低，然后在上部固體導(dǎo)熱和入流主蒸汽加熱作用下表面節(jié)點溫度逐漸上升.軸端漏汽量為2.42 kg/s時通過葉根冷卻孔的軸端漏汽由于自身溫度較高(尤其是上部漩渦分支)，對后表面上部區(qū)域的冷卻效果有限，因此表面節(jié)點溫度逐漸上升.而當(dāng)軸端漏汽流量增大到9.68 kg/s時，后部盤腔內(nèi)流場結(jié)構(gòu)的變化導(dǎo)致葉根和輪盤后表面上部直接受到入流主蒸汽的加熱，其表面節(jié)點溫度達(dá)到最高.值得注意的是3種軸端漏汽量時后表面葉根冷卻孔以下區(qū)域的溫差較小，說明軸端漏汽的引入和軸端漏汽量的變化對中壓第1級下游部件的冷卻效果影響有限.

(a)前表面

(b)后表面

Fig.17Temperature distribution on front and aft disk surface at 3 shaft leakage flow rates

3結(jié)論

(1)隨著軸端漏汽量的增大，中壓第1級透平級效率逐漸下降.當(dāng)軸端漏汽量為9.68 kg/s時，相比于無軸端漏汽時透平級效率降低了0.68%.

(2)軸端漏汽對超超臨界汽輪機中壓第1級透平級的冷卻機理與蒸汽冷卻相同，但是軸端漏汽的溫度和軸端漏汽量與蒸汽冷卻的差異導(dǎo)致第1級動葉葉根處的溫度和溫度梯度發(fā)生變化.軸端漏汽量增大，冷卻蒸汽與軸端漏汽的混合蒸汽對葉根的冷卻效果減弱，導(dǎo)致葉根溫度整體上升，但溫度梯度減小.中壓第1級透平級效率隨軸端漏汽量的增大而下降.

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Effect of Shaft Seal Leakage on IP First-stage Steam Cooling Performance of an Ultra-supercritical HIP Combined Steam Turbine

ZHONGGangyun1,LIJun2,HUOWenhao2,FANXiaoping1

(1. Dongfang Steam Turbine Co., Ltd., Deyang 618000, Sichuan Province, China;2. Institute of Turbomachinery, Xi'an Jiaotong University, Xi'an 710049, China)

Abstract：The effect of shaft seal leakage on intermediate-pressure (IP) first-stage steam cooling performance of an ultra-supercritical high & intermediate pressure (HIP) combined steam turbine was numerically investigated by coupled flow-field calculation and conjugated heat-transfer method, while the steam cooling characteristics were analyzed and compared respectively under no steam cooling, steam cooling and leakage steam cooling conditions. Results show that turbine stage efficiency at first stage of IP cylinder decreases with the rise of shaft leakage flow rate; for a shaft leakage flow rate of 9.68 kg/s, the turbine stage efficiency would be decreased by 0.68% in comparison with the zero leakage case; the cooling mechanism of leakage steam on the first-stage components is same as that of the cooling steam, and their cooling effects are different due to their different flow rates and temperatures; compared with the steam cooling condition, the cooling effect on blade root by steam mixture from both shaft leakage and coolant flow weakens with the rise of leakage flow rate, resulting in increased temperature but reduced temperture gradient at blade root.

Key words：ultra-supercritical steam turbine; steam cooling; shaft leakage; numerical simulation

收稿日期：2015-06-24

修訂日期：2015-07-21

作者簡介：鐘剛云(1976-)，男，四川什邡人，高級工程師，碩士，主要從事汽輪機通流技術(shù)方面的研究.電話(Tel.)：13778295829；

文章編號：1674-7607(2016)05-0352-08中圖分類號：TK262

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A學(xué)科分類號：470.30

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