富學(xué)斌，吳德友

(1.國(guó)網(wǎng)黑龍江省電力有限公司電力科學(xué)研究院， 哈爾濱 150030; 2.大唐哈爾濱第一熱電廠, 哈爾濱 150078)

●能源及動(dòng)力工程●

主蒸汽非定常性對(duì)中壓第一級(jí)溫度場(chǎng)和流場(chǎng)的影響

富學(xué)斌1，吳德友2

(1.國(guó)網(wǎng)黑龍江省電力有限公司電力科學(xué)研究院， 哈爾濱 150030; 2.大唐哈爾濱第一熱電廠, 哈爾濱 150078)

以600 MW超超臨界汽輪機(jī)中壓缸為研究對(duì)象，采用氣熱耦合數(shù)值模擬方法研究非定常性對(duì)中壓第一級(jí)溫度場(chǎng)和流場(chǎng)的影響。針對(duì)有、無冷卻蒸汽的兩種工況，使用ANSYS CFX 10.0提供的Redich Kwong干蒸汽介質(zhì)，k-epsilon湍流模型，總溫方程熱傳導(dǎo)模型，研究了一個(gè)周期內(nèi)動(dòng)葉片表面溫度分布和流場(chǎng)分布。研究結(jié)果表明，冷卻蒸汽流動(dòng)的非定常性對(duì)冷卻效果、壓力場(chǎng)和溫度場(chǎng)的影響顯著，主蒸汽流動(dòng)的非定常性的影響可以忽略；蒸汽冷卻為動(dòng)葉增大了近10倍左右的熱應(yīng)力。

主蒸汽；非定常流動(dòng)；中壓轉(zhuǎn)子；溫度場(chǎng)；流場(chǎng)

汽輪機(jī)中壓轉(zhuǎn)子冷卻過程是一個(gè)非定常過程，其流動(dòng)非定常性對(duì)冷卻效果影響很大[1]。采用氣熱耦合數(shù)值模擬方法研究非定常性對(duì)中壓第一級(jí)溫度場(chǎng)和流場(chǎng)的影響，主要應(yīng)從流動(dòng)主蒸汽與冷卻蒸汽兩個(gè)方面進(jìn)行。研究表明，在蒸汽冷卻參數(shù)與冷卻結(jié)構(gòu)不變的條件下，由于靜、動(dòng)葉相對(duì)位置的變化，使得進(jìn)入主流道的冷卻蒸汽流量隨時(shí)間變化，這引起動(dòng)葉根部及吸力面溫度場(chǎng)隨時(shí)間發(fā)生相應(yīng)的改變[1]。以600 MW超超臨界汽輪機(jī)中壓缸為計(jì)算模型，研究主蒸汽非定常性對(duì)中壓第一級(jí)溫度場(chǎng)和流場(chǎng)的影響。

1 幾何模型和邊界條件

圖1為無蒸汽冷卻的中壓級(jí)邊界條件結(jié)構(gòu)圖，為提高非定常計(jì)算速度，不考慮流體區(qū)域與固體區(qū)域的耦合換熱問題。圖1中幾何體模型中包括靜葉柵流道、動(dòng)葉柵流道兩部分。計(jì)算所給定的邊界條件，與有冷卻時(shí)的情況基本相同，只是不需要對(duì)冷氣通道的流通區(qū)域進(jìn)行計(jì)算和給定邊界條件。

表1給出了無冷卻結(jié)構(gòu)的汽輪機(jī)中壓級(jí)非定常數(shù)值模擬的進(jìn)出口邊界條件，模擬軟件為ANSYS CFX 10.0版本，在并行機(jī)上進(jìn)行三維非定常數(shù)值計(jì)算。研究的汽輪機(jī)中壓第一級(jí)，全周動(dòng)葉葉片數(shù)為64，靜葉葉片數(shù)為66。

圖1 蒸汽輪機(jī)中壓級(jí)邊界條件結(jié)構(gòu)圖

表1 無冷卻時(shí)中壓級(jí)進(jìn)出口邊界條件

數(shù)值模擬采用由ANSYS CFX 10.0提供的Redich Kwong干蒸汽介質(zhì)進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算采用高精度差分格式，二階瞬態(tài)方法，收斂循環(huán)系數(shù)取值為3，湍流模型為k-epsilon模型，湍流度為中等湍流。熱傳導(dǎo)模型采用總溫方程，在時(shí)間間隔(t1,t2)中物體溫度從u(x,y,z,t1)變化到u(x,y,z,t2)，它所吸收的熱量為：

式中，c為比熱，ρ為密度。

動(dòng)葉出口壓力值在整個(gè)出口面上進(jìn)行平均，動(dòng)葉旋轉(zhuǎn)速度為3000/min，動(dòng)葉葉片數(shù)64。經(jīng)計(jì)算，動(dòng)葉柵轉(zhuǎn)過一個(gè)節(jié)距的時(shí)間為3.125×10-4s。在中壓級(jí)非定常數(shù)值模擬過程中，在一個(gè)周期(T)中平均取10個(gè)計(jì)算位置，相鄰兩個(gè)計(jì)算位置時(shí)間相差3.125×10-5s，因此在參數(shù)設(shè)定中將物理時(shí)間步長(zhǎng)取值為3.125×10-5s。

2 結(jié)果及討論

2.1 一個(gè)周期內(nèi)動(dòng)葉片表面溫度分布

圖2為非定常數(shù)值計(jì)算中一個(gè)周期(T)內(nèi), 從t/T=0.0到t/T=0.8五個(gè)典型時(shí)刻動(dòng)葉吸力面溫度分布云圖。無冷卻動(dòng)葉表面溫度分布是否受流動(dòng)非定常性影響，取決于吸力面溫度分布是否隨時(shí)間變化。[2-4]

圖2 一個(gè)周期內(nèi)典型時(shí)刻動(dòng)葉表面溫度分布云圖

如圖2所示，在葉頂與葉根局部區(qū)由于間隙與壁面的滯止作用，形成局部高溫區(qū)，溫度在819.8～822.4K之間。葉頂存在一個(gè)高溫區(qū)，面積不隨時(shí)間變化。葉根存在三處或二處局部高溫區(qū)，其形狀隨時(shí)間變化，但總面積變化很小。吸力面有小面積低溫區(qū)，溫度處于814.5～817.1K之間，不同時(shí)刻其形狀不同，面積變化也不大。在五個(gè)典型時(shí)刻，吸力面上其余絕大部分區(qū)域溫度均在817.1～819.8K。由此可見，無冷卻中壓第一級(jí)葉片表面溫度分布受非定常效應(yīng)的影響非常小。

2.2 一個(gè)周期內(nèi)流場(chǎng)情況

圖3給出了無冷卻情況時(shí)，從t/T=0.0到t/T=0.8五個(gè)典型時(shí)刻沿動(dòng)葉葉型的靜壓分布，從圖3中可以看出，無冷卻時(shí)五個(gè)典型時(shí)刻沿動(dòng)葉葉型的壓力分布曲線是重合的，說明無冷卻時(shí)流動(dòng)非定常性對(duì)靜壓分布無影響。

圖3 五個(gè)典型時(shí)刻沿動(dòng)葉葉型的靜壓分布

3 結(jié) 論

以600 MW超超臨界汽輪機(jī)中壓缸為計(jì)算模型,對(duì)中壓第一級(jí)進(jìn)行了數(shù)值研究，研究表明：

a.主蒸汽流動(dòng)的非定常性對(duì)冷卻效果、壓力場(chǎng)和溫度場(chǎng)的影響可以忽略，有冷卻時(shí)級(jí)內(nèi)的冷卻效果、 壓力場(chǎng)和溫度場(chǎng)隨時(shí)間的變化， 主要是由冷卻蒸汽流動(dòng)的非定常性導(dǎo)致的。

b.無冷卻時(shí)動(dòng)葉表面溫度隨時(shí)間的變化幅度為1.3～2.4K， 與有冷卻時(shí)動(dòng)葉表面溫度隨時(shí)間的變化幅度22～23K[1]相比，顯然蒸汽冷卻為動(dòng)葉增大了近10倍左右的熱應(yīng)力，而且此熱應(yīng)力隨時(shí)間變化，對(duì)動(dòng)葉造成熱沖擊，加劇動(dòng)葉的損耗。很有必要根據(jù)非定常計(jì)算結(jié)果，在設(shè)計(jì)時(shí)考慮采取措施，增強(qiáng)動(dòng)葉的安全可靠性。

[1] 呂智強(qiáng)，周遜，劉順隆. 超超臨界汽輪機(jī)中壓轉(zhuǎn)子冷卻的非定常數(shù)值模擬[J]. 汽輪機(jī)技術(shù)，2009， 51(1)：5-7. LV Zhiqiang, ZHOU Xun, LIU Shunlong. Unsteady numerical simulation of medium pressure rotor cooling[J]. Turbine Technology, 2009, 51(1): 5-7.

[2] 黃洪雁， 陳凱， 董平，等. 氣熱耦合多孔氣膜冷卻流動(dòng)的數(shù)值研究[J]. 工程熱物理學(xué)報(bào). 2007， 28(增刊 1)：81-84. HUANG Hongyan, CHEN Kai, DONG Ping, et al. Numerical study of film cooling flow on porous vane with conjugate heat transfer[J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2007, 28(z1): 81-84.

[3] 姜澎，黃洪雁，馮國(guó)泰. 空氣冷卻渦輪葉片氣熱耦合數(shù)值計(jì)算[J]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào). 2006， 38(12)：2036-2038. JIANG Peng, HUANG Hongyan, FENG Guotai. Numerical simulation of conjugate heat transfer in turbine blade with air cooling[J]. Journal of Harbin Institute of Technology. 2006, 38(12): 2036-2038.

[4] 陳凱， 黃洪雁， 匡云，等. 渦輪葉柵三維氣熱耦合數(shù)值模擬[J]. 節(jié)能技術(shù). 2006， 24(4)：321-325. CHEN Kai, HUANG Hongyan, KUANG Yun, et al. Numerical simulation of turbine vane with three dimensional aero-thermal coupled heat transfer[J]. Energy Conservation Technology. 2006, 24(4): 321-325.

(編輯 李世杰)

Influence of the main steam unsteadiness on the temperature field and flow field of medium pressure at the first stage

FU Xuebin1,WU Deyou2

(1.Electric Power Research Institute of State Grid Heilongjiang Electric Power Co., Ltd.,Harbin 150030, China; 2.Datang Harbin No.1 Thermal Power Plant, Harbin 150078,China)

Taking the pressure cylinder of a 600 MW ultra supercritical steam turbine as the research object, the influence of unsteadiness on the temperature field and flow field of medium pressure at the first stage is studied by using the numerical simulation method of conjugate heat transfer. According to the two conditions with and without cooling steam, the research of rotor blade surface temperature distribution and flow field distribution in a period is taken by using Redich Kwong dry steam medium provided by ANSYS CFX 10, k-epsilon turbulence model and heat conduction model of total temperature equation. The results show that the unsteadiness of the cooling steam flow has an obvious effect on the cooling effect, pressure field and temperature field; the influence of the unsteadiness of the main steam flow can be neglected; the thermal stress of rotor blade is increased nearly 10 times by steam cooling.

main steam; unsteady flow; medium pressure rotor; temperature field; flow field

2017-01-09。

富學(xué)斌(1972—),男,工程碩士,高級(jí)工程師,主要從事汽輪機(jī)及其輔機(jī)的基建調(diào)試、性能試驗(yàn)、故障分析、優(yōu)化運(yùn)行等工作。

TK264.1

B

2095-6843(2017)02-0170-03