耿毫偉，周俊杰

(鄭州大學(xué)，河南 鄭州 450001)

汽輪機(jī)作為蒸汽動力裝置的主要設(shè)備之一，是將蒸汽的熱能轉(zhuǎn)換成機(jī)械功的一種旋轉(zhuǎn)式機(jī)械，其在航空、火力、電力、水力、核能發(fā)電設(shè)備及新能源的利用等都有著廣泛的應(yīng)用[1]。近些年來，隨著我國對能源需求量的不斷增大，煤炭價格也是持續(xù)上升，電、煤供應(yīng)形勢顯得格外嚴(yán)峻[2]，因此，對汽輪機(jī)進(jìn)行氣動性能的數(shù)值計算，從而找到提高汽輪機(jī)發(fā)電效率和降低能耗的方法成為了當(dāng)前電力行業(yè)刻不容緩的艱巨任務(wù)[3]。國內(nèi)外學(xué)者對汽輪機(jī)的數(shù)值仿真也一直沒有停止過。

常東峰、谷偉偉以600 MW汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級為研究對象，分析了復(fù)合閥和順序閥兩種配氣方式3中工況下調(diào)節(jié)級葉片的氣動載荷，并采用三維有限元法數(shù)值分析了三種工況下的瞬態(tài)動力響應(yīng)和動應(yīng)力[4]。范小平、曹守洪等采用有限元方法調(diào)節(jié)級動葉采用雙T型葉根的成組調(diào)節(jié)級頻率進(jìn)行了計算，準(zhǔn)確模擬了調(diào)節(jié)級動葉實際工作狀態(tài)，提高了計算精度[5]。本文以12 MW軸流式汽輪機(jī)為研究對象，并對其進(jìn)行了幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

1 幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化

1.1 幾何模型

圖1 幾何模型

為了詳細(xì)的準(zhǔn)確的模擬計算，利用SolidWorks按照比例1∶1進(jìn)行幾何建模，先分別畫出噴嘴，動葉柵，轉(zhuǎn)導(dǎo)，由于其實圓周陣列分布，因此取一個單元進(jìn)行計算。再由SolidWorks進(jìn)行組裝配合得到幾何模型，如圖1所示。

1.2 網(wǎng)格劃分

利用mesh進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分時，其網(wǎng)格質(zhì)量采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分時要差，另外，Meshing的強(qiáng)大功能主要體現(xiàn)在非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分上，生成網(wǎng)格的時間也較快。如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格劃分

1.3 邊界條件設(shè)置

表1 進(jìn)出口類型及邊界條件

在CFX軟件中，定義噴嘴的進(jìn)口為inlet，第二級葉柵的出口為outlet。根據(jù)汽輪機(jī)葉片之間相互運動的周期性，在靜葉和動葉垂直于軸向的截面位置為周期性邊界，在靜葉和動葉之間的交界面采用stage模式。

1.4 求解設(shè)置

在ANSYS CFX-Pre中，旋轉(zhuǎn)機(jī)械的壁面函數(shù)有no slip wall、free slip wall和rotating(no slip)三種方式。由于此次仿真計算沒有考慮葉頂間隙的影響，壁面函數(shù)采用no slip wall。工質(zhì)為理想水蒸汽，導(dǎo)葉和噴嘴設(shè)置為靜止，一、二級葉珊為旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為3000 r/min。求解方式采用High Resolution，收斂控制為自動時間尺度(auto timescale)。求解殘差控制在1×10-5。

2 汽輪機(jī)葉片的氣動性能分析

2.1 靜、動葉型線的優(yōu)化

對于靜、動葉的優(yōu)化，通過改變型線的頭緣，尾緣，內(nèi)弧和背弧的半徑，來改變型線的形狀，通過CFX對其優(yōu)化過的型線進(jìn)行數(shù)值校核，得到了最優(yōu)的型線。型線圖和型線尺寸如表2、3所示。

表2 靜葉型線優(yōu)化前后尺寸

表3 動葉型線優(yōu)化前后尺寸

2.2 數(shù)值模擬分析

利用CFX對優(yōu)化后的型線進(jìn)行數(shù)值模擬，對其結(jié)果進(jìn)行分析得出溫度，壓力，等熵效率，軸功率等隨軸向距離的變化曲線。

圖3 優(yōu)化前后溫度云圖

圖4 優(yōu)化前后速度云圖

圖5 優(yōu)化前后沿軸向距離的溫度變化曲線

圖6 優(yōu)化前后沿軸向距離的速度變化曲線

圖3、圖4分別為優(yōu)化前后的溫度和速度云圖；圖5、圖6分別為優(yōu)化前后溫度、壓力隨軸向距離的變化曲線，結(jié)合兩個溫度云圖可知蒸汽在噴嘴和轉(zhuǎn)導(dǎo)出的溫降和壓降都比較大，從而體現(xiàn)出了噴嘴處的做功能力比較高，優(yōu)化前的溫降為60℃，而優(yōu)化后的溫降大概為82℃，相比原先溫度降低了22℃，從而增大了進(jìn)出口焓降；由圖4分析可知，在噴嘴出口處的速度相對于優(yōu)化前而言，優(yōu)化后的速度增加，說明噴嘴出口處的蒸汽動能增加，而在葉柵出口的速度要比優(yōu)化前的葉柵出口速度低，從而在整個調(diào)節(jié)級的蒸汽流動過程中，蒸汽的動能轉(zhuǎn)化為葉柵的機(jī)械能有所改善，使汽輪機(jī)的效率得到提高。

圖7 優(yōu)化前后軸功率隨軸向距離的變化曲線

圖8 優(yōu)化前后等熵效率隨軸向距離的變化曲線

圖7為優(yōu)化前后軸功率隨軸向距離的變化曲線，從圖中可以看出優(yōu)化后軸功率要比原來提高了1.2 kW，平均增長率了11.6%左右，從而體現(xiàn)出對原始型線優(yōu)化后，在噴嘴處高溫高壓蒸汽的熱能轉(zhuǎn)變蒸汽的動能的效率有了很大的提高，同時在葉柵中蒸汽的動能轉(zhuǎn)化為動葉的機(jī)械能，能量的損失較之原型線而言也有了一定的提高。

圖8為優(yōu)化前后等熵效率隨軸向距離的變化曲線， 從圖中可以看出，原始型線的等熵效率在調(diào)節(jié)級的后面的比較低，在噴嘴處的等熵效率較大，與優(yōu)化后的型線相比，等熵效率在噴嘴出的差別大不，說明在噴嘴處的蒸汽的實際做功能力要比后面的轉(zhuǎn)導(dǎo)葉片大，而在葉柵處，優(yōu)化后的等熵效率要比原始的型線大大改觀，說明了在葉柵處蒸汽蒸汽的做功能力有了很大的提高，對整體分析可得其等熵效率大概提高了15.8%。

3 結(jié)論

通過對12 MW汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級靜、動葉型線的數(shù)值仿真，對其分析后得到如下結(jié)論：

(1)對汽輪機(jī)優(yōu)化前后，軸功率提高了1.2kW。較原始葉型平均提高了11.6%。

(2)對比優(yōu)化前后葉型的等熵效率可知，優(yōu)化后的等熵效率較原始葉型提高了15.8%。

(3)分析優(yōu)化前后的溫度、壓力曲線，可知優(yōu)化后的溫降要比原先增大了22℃，從而增大了進(jìn)出口焓降，提高了整體的汽輪機(jī)效率。