（東方汽輪機有限公司，四川 德陽 618000）

核電汽輪機高壓進汽分流結(jié)構(gòu)的優(yōu)化分析

陶功新，段增輝，鐘主海

（東方汽輪機有限公司，四川 德陽 618000）

本文對某核電站1、2號機組汽輪機高壓缸通流改造方案中的高壓進汽分流結(jié)構(gòu)進行了研究和分析，通過氣動分析，優(yōu)化高壓進汽分流結(jié)構(gòu)，減少壓力損失，保證設(shè)計方案的可行性。

通流改造；優(yōu)化；進汽結(jié)構(gòu)；氣動分析

2000年以后，國內(nèi)新建核電機組大部分都在百萬千瓦以上。隨著機組老化、運行問題、擴容需求等因素，一些核電機組陸續(xù)進行了改造。某核電站1、2號機組高壓缸通流改造由東方汽輪機有限公司承擔(dān)，也是國內(nèi)汽輪機制造廠商首次承擔(dān)的百萬千瓦核電機組改造。

該核電站1、2號汽輪機組型式為單軸、五缸八排汽、中間一次再熱、沖動凝汽式、全轉(zhuǎn)速核電汽輪機組。末級葉片選用鈦合金1200mm葉片，額定功率1060MW。

該兩臺機組高壓模塊的擴容改造設(shè)計點為增容至102%額定流量。

結(jié)合以往的工程經(jīng)驗和流場分析可知，“汽缸進排汽部分”的壓力損失占整缸總損失的比例大概在10%左右。在進行汽輪機通流改造時也可以在這些區(qū)域挖掘潛力，通過優(yōu)化汽輪機進、排汽結(jié)構(gòu)的型線提高缸效率。為了進一步提高改造機組的經(jīng)濟性，本文將著重對高壓進汽分流結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化和分析。

1 汽輪機高壓進汽分流結(jié)構(gòu)及優(yōu)化

該核電汽輪機組的總體型式是由一個雙分流的高壓缸和四個雙分流的低壓缸組成。一個完整的高壓進汽分流結(jié)構(gòu)由進汽球殼體、高壓內(nèi)缸進汽腔室、高壓進汽分流環(huán)三個部分組成。

該機組高壓通流部分為雙分流結(jié)構(gòu)，進入高壓內(nèi)缸中部環(huán)形進汽腔室后的蒸汽被分流至前后兩個相同的高壓通流部分做功。結(jié)合工程經(jīng)驗，由于高壓進汽蒸汽參數(shù)較高，品質(zhì)也較高，優(yōu)化該處的進汽結(jié)構(gòu)可以得到明顯的收益?；谏鲜鲈?，對其中的高壓進汽分流環(huán)的結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化，并進行了優(yōu)化前后的流場對比分析（圖1）。

圖1 優(yōu)化前后分流環(huán)結(jié)構(gòu)

從原高壓進汽分流環(huán)結(jié)構(gòu)可以看出，其葉根處導(dǎo)流結(jié)構(gòu)為兩個圓柱形的筒體，該結(jié)構(gòu)無法主動引導(dǎo)蒸汽向前后兩側(cè)分流。由于蒸汽流速較高，在中間位置會產(chǎn)生流體漩渦及大量的邊界層，從而引起較大的壓損。

優(yōu)化后的高壓進汽分流環(huán)采用“人”字型結(jié)構(gòu)，并與前后兩側(cè)高壓第一級隔板內(nèi)環(huán)配準(zhǔn)并把合在一起，與高壓內(nèi)缸進汽腔室型線組成完整的光滑流道。該結(jié)構(gòu)能夠主動引導(dǎo)蒸汽向前后兩側(cè)分流，避免蒸汽產(chǎn)生漩渦及過多的邊界層，從而顯著的降低壓損。

為驗證優(yōu)化前后高壓進汽分流結(jié)構(gòu)氣動性能的好壞，在進行改造方案設(shè)計的過程中有必要對該進汽結(jié)構(gòu)整體的氣動性能及其內(nèi)部流場進行計算流體力學(xué)（CFD）分析。

2 優(yōu)化前后的流場分析對比

2.1 數(shù)值模擬計算方法

計算中湍流模型選用SST模型，方程的離散采用二階差分格式。邊界條件按設(shè)計數(shù)據(jù)給定，進口邊界條件給定進口總壓P0和總溫T0， 出口邊界條件為流量G1，壁面按絕熱處理，壁面附近粘性支層的處理采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法。

通過不同進氣室結(jié)構(gòu)的三維流場特性的數(shù)值模擬，得到了各方案的總壓損失系數(shù)，并找出總壓損失系數(shù)最低的方案。

總壓損失系數(shù)定義：

2.2 計算模型及邊界條件

建立分析模型，為便于進行氣動分析，將完整的高壓進汽分流結(jié)構(gòu)的內(nèi)部進汽腔室采用實體化，并進行優(yōu)化前后的流場分析對比。

用Pro ENGINEER軟件對高壓進汽結(jié)構(gòu)汽道進行了全尺寸三維建模，模擬分析共計算了兩種進汽方案，方案一為優(yōu)化前的結(jié)構(gòu)，方案二為優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)。

采用ANSYS_workbench根據(jù)流態(tài)變化的快慢和流道曲率變化的網(wǎng)格函數(shù)對進氣室進行非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分,壁面第一層網(wǎng)格去0.01mm。

數(shù)值計算使用商用軟件CFX，采用SST湍流模型，工質(zhì)采用可凝結(jié)流體的水蒸汽。計算工況為蒸發(fā)器額定熱功率工況。

2.3 計算結(jié)果

改造前后的高壓進汽分流結(jié)構(gòu)內(nèi)部進汽腔室流場分析見圖2、圖3和圖4。

圖2 原高壓進汽分流結(jié)構(gòu)流場分析

圖2 和圖3是兩個模型的流線圖以及壓力分布圖。從圖中可以看出優(yōu)化前的流線在進汽管與進汽腔室結(jié)合部附近小部分范圍不光順，其余大部分都是光順的，而優(yōu)化后在整個區(qū)域內(nèi)流線都是光順，進汽室流場比較均勻，沒有大的渦流的存在，因此優(yōu)化后的氣動性能更好，較優(yōu)化前進汽效率相對較高。

優(yōu)化前后的總壓損失對比如表1所示。

表1

圖3 優(yōu)化后高壓進汽分流結(jié)構(gòu)流場分析

圖4 高壓進汽分流結(jié)構(gòu)模型出口截面總壓及流速分布圖

經(jīng)過對優(yōu)化前后高壓進汽分流結(jié)構(gòu)內(nèi)部腔室的氣動分析可知，優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的總壓損失遠遠小于原設(shè)計結(jié)構(gòu)的總壓損失。經(jīng)計算，該結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，在額定熱功率工況下，機組有350kW左右的出力收益。因而對該結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有明顯的經(jīng)濟效益。

3 結(jié)語

汽輪機通流改造的目的是為了提高效率和機組出力。有效降低進汽和排汽部分的壓損，也是提高汽輪機組效率的研究方向。本文對高壓進汽分流結(jié)構(gòu)的氣動分析表明，改進后的進汽模型的總體氣動性能較原結(jié)構(gòu)有所提高，對整個汽輪機高壓缸通流改造的設(shè)計方案有較大的指導(dǎo)意義。

[1]馮增國. 東方電氣評論：汽輪機低壓進汽部分的數(shù)值計算和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，2007,9.21(3).

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