鐘主海，江生科

（東方汽輪機有限公司，四川德陽，618000）

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汽輪機高壓缸進汽蝸殼的數(shù)值研究

鐘主海，江生科

（東方汽輪機有限公司，四川德陽，618000）

摘要：文章采用商用計算流體動力學軟件CFX，針對某高壓缸進汽蝸殼進行了詳細的數(shù)值研究，并對影響切向進汽蝸殼氣動特性的因素進行了研究，結(jié)果表明：切向進汽方式具有優(yōu)越的氣動特性，其進汽蝸殼截面的收縮比、截面形狀以及進口管橫向間距均對切向進汽室氣動特性影響較大。湍動能和總壓損失系數(shù)隨截面收縮比的增加逐漸減小并趨于平緩。截面形狀和進口管橫向間距對切向進汽室總壓損失系數(shù)影響較小，但對出口處湍動能影響較大。

關(guān)鍵詞：進汽蝸殼，切向進汽，氣動特性，湍動能

0　前言

隨著汽輪機行業(yè)競爭日益加劇，提高機組效率成為汽輪機廠商所追求的目標。通流優(yōu)化是提高機組效率的途徑之一，除此之外，改變進、排汽的結(jié)構(gòu)也可降低壓損。傳統(tǒng)高壓進汽為四管進汽方式，其進汽模型如圖1所示。通常機組根據(jù)運行工況不同，其進汽方式也不同。調(diào)峰機組宜采用噴嘴配汽方式，優(yōu)點在于節(jié)流損失較小；帶基本負荷的大功率汽輪機目前傾向于采用節(jié)流配汽方式，優(yōu)點在于無調(diào)節(jié)級，不存在調(diào)節(jié)級中的部分進汽損失，而且調(diào)節(jié)級的余速可被利用。到目前為止，雖然已經(jīng)有許多關(guān)于傳統(tǒng)高壓進汽方式方面的研究，但不同學者針對性不同，所采用的手段不一。Jens等人［1］對部分進汽的調(diào)節(jié)級進行了試驗研究和數(shù)值計算，結(jié)果表明：在部分進汽狀態(tài)下，動葉承受的非定常力是全周進汽時的2.5倍，嚴重威脅機組安全運行。Sakai等人［2］采用準三維數(shù)值模型研究了進汽弧段位置對部分進汽汽輪機級效率的影響，結(jié)果表明：進汽弧段位置對級效率的影響是通過進汽弧段位置的改變影響到切向方向級壓力分布進而導致鼓風損失變化。Zaryankin等人［3］的研究表明：噴嘴配汽方式的汽輪機，其調(diào)節(jié)級后流體不均勻可導致壓力級級效率降低1.5%～2.0%，而在調(diào)節(jié)級后安裝沖孔板篩可使調(diào)節(jié)級后流體更均勻，并能明顯提升壓力級級效率。為克服噴嘴配汽方式的上述缺點，對于全周進汽機組來說，出現(xiàn)了切向進汽，其進汽模型如圖2所示。研究表明：采用蝸殼形切向進汽方式時，蝸殼內(nèi)流場均勻，明顯克服非定常效應產(chǎn)生的汽流激振問題，其中汽流速度增大，還可大大減小進汽管的尺寸，降低制造成本［4］。因而，無論從經(jīng)濟性還是安全性考慮，對汽輪機切向進汽進行研究都有著重要的意義。目前對蝸殼形切向進汽方式進行了較多的研究，但是對進汽蝸殼的截面形狀、截面收縮比以及進汽管橫向間距對進汽室氣動特性的影響還較少進行系統(tǒng)深入的分析，因此本文以國產(chǎn)某大功率汽輪機高壓切向進汽室為例，對截面形狀（見圖3）、截面收縮比以及進汽管橫向間距對切向進汽室氣動特性的影響進行了CFD數(shù)值分析。

圖1　四管進汽模型

圖2　切向進汽模型

圖3　切向進汽的進汽蝸殼截面

1　幾何模型和數(shù)值方法

1.1幾何模型

本文以某大功率機組上使用的高壓進汽室結(jié)構(gòu)為研究對象，傳統(tǒng)高壓進汽方式為四管進汽，其幾何模型如圖1所示，它由進汽蝸殼、進汽管道、出口段等部件構(gòu)成。新型切向進汽方式的幾何模型如圖2所示。為獲得高壓進汽室內(nèi)部真實流動情況，進汽室結(jié)構(gòu)按全尺寸結(jié)構(gòu)建模，入口和出口均延伸。為對比切向進汽結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)高壓進汽方式的氣動特性，切向進汽結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)進汽結(jié)構(gòu)的進、出口面積相同。此處特別說明，為研究蝸殼截面收縮比對切向進汽室氣動特性的影響，建模過程中保證如圖3所示的截面A面積不變，逐漸減小截面B的面積，即可得到截面收縮比不同的切向進汽室模型，截面收縮比定義見式（1）。

式中：SA為截面A的面積；SB為截面B的面積。

1.2網(wǎng)格劃分

圖4為計算區(qū)域網(wǎng)格示意圖，采用的網(wǎng)格為四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，考慮壁面粘性的影響，壁面處采用三棱柱五面體邊界層網(wǎng)格，并進行網(wǎng)格無關(guān)性驗證。為排除網(wǎng)格的影響，不同進汽室結(jié)構(gòu)所有網(wǎng)格均采用相同設(shè)置。

圖4　高壓進汽室三維網(wǎng)格

1.3控制方程求解及邊界條件

CFD計算采用全三維N-S方程和SST湍流模型，計算中對控制方程和邊界條件進行有限元離散；動量、能量、湍動能以及湍流耗散率的離散格式均采用高分辨率的二階迎風格式。計算工質(zhì)為過熱水蒸汽，進口邊界條件設(shè)定為總溫、總壓和來流方向，出口邊界為流量，壁面為絕熱壁面。

1.4進汽室氣動特性的評價指標

高壓進汽室出口連接第一級入口，總壓損失系數(shù)、出口截面湍動能是進汽室氣動特性的主要評價指標，即：

式中：ζ為總壓損失系數(shù)； p總in和 p總out為進汽室進、出口汽流平均總壓。

進汽室出口截面的湍動能為：

式中：K為進汽室出口截面的湍動能；U為出口截面平均流速；I為出口截面湍流強度。

2　計算結(jié)果及分析

2.1傳統(tǒng)高壓進汽方式與切向進汽氣動特性比較

本文所采用的四管進汽模型、切向進汽模型進、出口截面面積相同。計算過程中四管進汽模型和切向進汽模型均給定相同邊界條件，因此其出口的平均流速基本相等，進汽室出口截面的湍動能實際反映了出口截面湍流強度的大小，即速度波動均方根與平均速度的比值。表1給出了四管進汽模型和切向進汽模型的總體特性計算結(jié)果。

表1　進汽室氣動特性模擬結(jié)果

圖5分別是高壓傳統(tǒng)四管進汽方式和切向進汽方式的三維流線圖。從圖中可以看出，四管進汽的三維流線比較紊亂，部分區(qū)域出現(xiàn)渦流，而切向進汽的流線卻十分均勻，圖6所示的靜壓云圖也很好地反應了這一點，即采用切向進汽方式其出口壓力比較均勻，這對首級級效率的提升有重要的積極作用，因此采用切向進汽對于高壓進汽室來說是較好的選擇。

圖5　高壓進汽室三維流線圖

圖6　高壓進汽室壁面靜壓分布

2.2蝸殼截面收縮比對切向進汽室氣動特性影響

為了更詳盡地了解蝸殼截面收縮比對切向進汽室的影響，在原始方案的基礎(chǔ)上，保持最大橫截面積SA不變，逐漸減小SB截面面積，并進行數(shù)值計算，表2給出了具體的計算結(jié)果。

表2　切向進汽室氣動特性隨截面收縮比的關(guān)系

圖7（a）為切向進汽室總壓損失隨截面收縮比變化關(guān)系。切向進汽方案1～10模型中進、出口截面面積、長度均相等，這樣可以排除進、出口效應的影響。從圖中可以看出，對于本文所研究的10種不同截面收縮比的切向進汽室，其總壓損失隨截面收縮比γ增加而減小，當截面收縮比γ位于1.4～2.27之間，總壓損失隨截面收縮比γ增加而迅速減小，當截面收縮比γ大于2.27時，總壓損失減小的趨勢逐漸變緩，這表明截面收縮比γ對切向進汽室壓損影響程度不一致，截面收縮比γ小于2.27時對切向進汽室壓損影響程度較大，此時切向進汽室氣動特性優(yōu)化最有效的途徑是增加截面收縮比γ，當截面收縮比γ大于2.27時，采用增加截面收縮比γ對切向進汽室氣動特性提升不明顯。由此可知，截面收縮比γ是影響切向進汽室壓損的關(guān)鍵因素之一。圖7（b）為切向進汽室湍動能隨截面收縮比變化關(guān)系，從圖中可以看出，湍動能隨截面收縮比變化關(guān)系與總壓損失隨截面收縮比變化關(guān)系類似，即湍動能隨截面收縮比γ增加而減小并且減小的趨勢逐漸變緩。與之不同的是，截面收縮比γ小于1.52時，湍動能變化明顯，當1.52≤γ≤1.96，湍動能出現(xiàn)波動，當截面收縮比γ大于1.96時，湍動能隨截面收縮比γ增加而減小的趨勢較截面收縮比γ小于1.52平緩，這表明在切向進汽室的設(shè)計中，選用較大的截面收縮比γ可使出口截面的湍動能較小。

圖7　切向進汽室氣動特性隨蝸殼截面收縮比變化關(guān)系

2.3蝸殼截面形狀對切向進汽室氣動特性影響

為了解蝸殼截面形狀對切向進汽室氣動特性的影響，在原始方案的基礎(chǔ)上，保持蝸殼最大橫截面積SA、最小橫截面積SB不變，但進汽蝸殼采用不同的截面形狀（見圖8），并進行數(shù)值計算，表3給出了具體的計算結(jié)果。

圖8　進汽蝸殼采用不同截面形狀的切向進汽模型

表3　進汽室氣動特性隨截面形狀的關(guān)系

圖9　切向進汽模型（方案a）流場結(jié)構(gòu)圖

圖10　切向進汽模型（方案b）流場結(jié)構(gòu)圖

圖11切向進汽模型（方案c）流場結(jié)構(gòu)圖

圖9～11是進汽蝸殼采用不同截面形狀切向進汽模型的流線圖以及壓力分布圖。從圖中可以看出，各方案在整個區(qū)域內(nèi)流線基本光順，但是方案a與方案c的流線在出口部分流速較方案b高，方案b的流線在環(huán)形空腔部分與出口部分流速變化較方案a、c小，其過渡的均勻性更優(yōu)。并且由于方案b的環(huán)形空腔部分至出口處采用向中心匯集的過渡方式，因此摻混效果更好，流體均勻性更好，因此可以預期，方案b出口處的湍動能低于其他方案，這點也可從表3中得到印證。究其原因，主要有兩方面：

（1）環(huán)形空腔部分至出口段均勻過渡

環(huán)形空腔部分至出口段的均勻過渡可改善流動，方案c的環(huán)形空腔上表面與出口段采用直角過渡，這將使過渡部分出現(xiàn)脫流，導致出口段摻混效果變差，因此方案c湍動能較大。

（2）流線向出口中心匯集

環(huán)形空腔部分至出口段采用向中心匯集的過渡方式，由于向中心導流的作用，導致出口段摻混區(qū)域固體壁面處邊界層的動量傳遞加劇，這部分附加的動量會加劇出口摻混區(qū)域流體微團的擾動，加強摻混效果。

2.4進口管橫向間距對切向進汽室氣動特性影響

為了更詳盡地了解進口管橫向間距對切向進汽室的影響程度，在原始方案的基礎(chǔ)上，保持截面收縮比γ、截面形狀不變，逐漸改變進口管橫向間距，并進行數(shù)值計算，圖12所示為切向進汽室進汽管橫向間距的示意圖，表4給出了具體的計算結(jié)果。

圖12　切向進汽室進汽管橫向間距示意圖

表4　進汽室氣動特性隨進汽管橫向間距的關(guān)系

圖13為切向進汽室氣動性能隨進汽管橫向間距變化關(guān)系。從圖中可以看出，進口管距對進汽室壓損影響較小，最大與最小的差值僅為0.04%，相對原型方案Ⅵ其相對變化量為3.9%；但湍動能的變化幅值相對較大，最大與最小的差值為4.27 J/kg，相對原型方案Ⅵ其變化量為70.5%。

圖13　切向進汽室氣動特性隨進汽管橫向間距變化關(guān)系

3　結(jié)論

經(jīng)過對傳統(tǒng)高壓進汽室、切向進汽室內(nèi)過熱水蒸汽流動特性進行數(shù)值模擬及分析，得到如下結(jié)論：

（1）與傳統(tǒng)高壓進汽室相比，切向進汽室具有更優(yōu)異的氣動特性；

（2）蝸殼的截面收縮比、截面形狀、進口管距均對切向進汽室氣動特性影響較大；

（3）蝸殼截面收縮比對切向進汽室氣動特性影響較大，湍動能和總壓損失隨收縮比的增加逐漸減小并趨于平緩；

（4）蝸殼截面形狀、進口管距對切向進汽室總壓損失影響較小，但對出口處湍動能影響較大。

參考文獻

［1］Jens F，Jens EA，Bunkute，et al.An experimental study on partial admission in a two—stage axial air test turbine with numerical comparisons［C］.Proceedings of ASME Turbo Expo. Vienna，Austria，2004，GT2004-53774.

［2］Sakai N，Harada T，Imai Y.Numerical study of partial admission stages in steam turbine:Efficiency improvement by optimizing admission arc position［J］.JSME International Journal Series B，F(xiàn)luids and Thermal Engineering，2006，49（2）:212-217.

［3］Zaryankin A E，Zroichikov N A，Arianov S V，et al.Reduction of nonuniformity of flow parameters at an inlet to a nozzle row of the first uncontrolled stage of a steam turbine with partial steam admission［J］.Thermal Engineering，2006，53 （11）:862-867.

［4］喻剛，邱健，廖興寶，等.100 MW核電汽輪機高壓進汽結(jié)構(gòu)分析［J］.東方汽輪機，2013，（3）:1-5.

Numerical Investigation on Steam Admission Volute of Turbine High Pressure Cylinder

Zhong Zhuhai，Jiang Shengke
（Dongfang Turbine Co.，Ltd.，Deyang Sichuan，618000）

Abstract:A numerical investigation on the steam admission volute of turbine high pressure cylinder was conducted by using the com?mercial computational flow dynamics software CFX，and affecting factors of aerodynamic characteristic in the tangential steam admis?sion volute were simulated.The result showed that tangential inlet had superior aerodynamic characteristic.The turbulent kinetic ener?gy and total pressure loss coefficient of tangential steam admission volute decreased gradually to a relative stable value when the con?tract ratio increased.The section shape of steam admission volute and transverse space of high pressure inlet affected seriously on the turbulent kinetic energy of outlet，but slightly on the total pressure loss coefficient.

Key words:steam admission volute，tangential inlet，aerodynamic characteristic，turbulent kinetic energy

中圖分類號：TK236

文獻標識碼：A

文章編號：1674-9987（2016）02-0017-06

DOI:10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2016.02.005

作者簡介：鐘主海（1985-），男，碩士，2012年畢業(yè)于西安交通大學熱能工程專業(yè)，主要從事汽輪機的設(shè)計研發(fā)工作。