王娟麗， 錢禹龍， 王姍， 王松， 陶功新， 楊志

（東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司， 四川 德陽(yáng)， 618000）

1 前言

電力是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)， 因此對(duì)電廠各部件的研究有著至關(guān)重要的意義。 汽輪機(jī)作為電廠的重要部件， 效率提高對(duì)節(jié)能降耗以及各經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)有重要影響。 數(shù)值計(jì)算的方法對(duì)低壓進(jìn)汽室的分析已經(jīng)有大量研究[1-3]。

本文用數(shù)值分析的方法對(duì)某汽輪機(jī)低壓進(jìn)汽室進(jìn)行優(yōu)化分析， 研究了低壓進(jìn)汽室增加導(dǎo)流環(huán)結(jié)構(gòu)， 優(yōu)化導(dǎo)流環(huán)， 以及改變腔室結(jié)構(gòu)等優(yōu)化措施對(duì)進(jìn)汽室流場(chǎng)、 總壓損失等氣動(dòng)性能的影響。

2 數(shù)值方法、 模型及網(wǎng)格

2.1 數(shù)值方法

數(shù)值計(jì)算使用商用軟件CFX， 生成非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格， 為滿足湍流模型要求， 物面添加邊界層網(wǎng)格， 網(wǎng)格參數(shù)滿足分析軟件的網(wǎng)格要求。 計(jì)算采用SST 湍流模型， 工質(zhì)采用Steam5； 在高性能計(jì)算機(jī)上進(jìn)行， 多節(jié)點(diǎn)并行。

2.2 模型及網(wǎng)格

本次分析所用的計(jì)算模型， 是根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，采用三維建模軟件ProE 完成。 本文所研究的4 種模型： Case1為常規(guī)進(jìn)汽腔室， 內(nèi)無導(dǎo)流環(huán)， 進(jìn)汽腔室結(jié)構(gòu)見圖1， 縱剖視圖見圖2 （a）； case2與case1唯一不同的是帶導(dǎo)流環(huán)結(jié)構(gòu)1， 見圖2（b）；case3是將case2的導(dǎo)流環(huán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)， 帶導(dǎo)流環(huán)2， 見圖2 （c）， case4進(jìn)汽腔室上下半收縮并變截面設(shè)計(jì)， 上下加分流擋板， 并帶導(dǎo)流環(huán)， 見圖3，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使氣流進(jìn)入主流通道更加均勻。

圖1 整體模型示意圖

圖2 子午方向剖視圖

圖3 case4 模型示意圖

進(jìn)汽模型網(wǎng)格劃分見圖4， 壁面邊界層取10層網(wǎng)格， 第一層網(wǎng)格取0.01 mm， 延展比取2.3；幾種方案進(jìn)汽模型網(wǎng)格數(shù)大約為750～1100 萬個(gè)。

圖4 進(jìn)汽模型網(wǎng)格劃分示意圖

2.3 計(jì)算邊界條件

（1）進(jìn)口條件： 在計(jì)算過程中， 計(jì)算域的進(jìn)口設(shè)定為總壓、 總溫。 進(jìn)口總壓和總溫按照進(jìn)口面均勻處理。

（2）出口條件： 出口邊界條件設(shè)定為流量。

（3）固體壁面處理為絕熱無滑移邊界條件。

計(jì)算進(jìn)口邊界條件給定如表1 所示。

表1 低壓缸計(jì)算邊界條件

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 總體性能

計(jì)算結(jié)果如表2 所示。 無導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的case1總壓損失最大， case3的整體總壓損失比case1小0.03%。 case4的出口流速降低， 總壓損失最小，比case3小0.22%， 可見進(jìn)汽腔室的改進(jìn)使氣流更均勻地流入主流通道， 降低了損失。

表2 低壓進(jìn)汽計(jì)算結(jié)果

3.2 結(jié)果分析

圖5 為4 種模型的三維流線圖，從圖5（a～c）可以看出進(jìn)汽室下半氣流較少， 上半氣流比較集中，氣流分布很不均勻。 圖5（d）氣流分布較均勻， 可見進(jìn)汽腔室結(jié)構(gòu)改進(jìn)使得腔室流體分布更加均勻。圖6 為case1～case3特征截面導(dǎo)流環(huán)附近流線圖，比較導(dǎo)流環(huán)的作用。 圖7 為case1～case3的特征截面導(dǎo)流環(huán)附件速度云圖， 可以看出原始模型與無導(dǎo)流環(huán)模型的氣流流入出口通道時(shí)， 都有個(gè)藍(lán)色低速區(qū)， 這是因?yàn)檎羝缮舷蛳铝鳎?撞到到缸壁時(shí)， 會(huì)有一個(gè)速度的損失， 在中間部分速度受到缸壁的垂直阻力變得很小， 因而產(chǎn)生了1 個(gè)低速區(qū)。 而加入導(dǎo)流環(huán)以后， 氣流由上向下流動(dòng)的時(shí)候， 經(jīng)過導(dǎo)流環(huán)， 使氣流平滑分流、 均勻進(jìn)入兩邊的出口通道。 中間的低速區(qū)消失了， 這也減小了蒸汽動(dòng)能的損失。 進(jìn)入出口通道的時(shí)候， 由于加入了導(dǎo)流環(huán)， 流道呈漸縮狀， 因而使氣流在流動(dòng)時(shí)候可以重新組織。 速度云圖中整個(gè)速度層分層減少， 這也說明， 加入導(dǎo)流環(huán)以后氣流進(jìn)入第一級(jí)的時(shí)候氣流組織更加均勻， 進(jìn)而可以提高氣流的做功能力。

圖5 三維流線圖

圖6 特征截面流線圖

圖7 特征截面速度云圖

圖8 ～9 為case3、 case4的出口截面壓力和速度分布云圖。 可以看出case4的壓力與速度分布都比case3的分布均勻。 因此進(jìn)汽腔室上下半有不同程度的收縮， 并且增加分流結(jié)構(gòu)使進(jìn)汽更均勻地分布在整個(gè)腔室， 使主流通道氣流更加均勻， 降低了出口平均速度， 總壓損失大大降低。

圖8 出口截面壓力云圖

圖9 出口截面速度分布云圖

4 結(jié)論

通過計(jì)算結(jié)果可得出如下結(jié)論：

（1）低壓進(jìn)汽室加入導(dǎo)流環(huán)后， 氣流組織更加均勻， 氣流在進(jìn)入主流通道時(shí)由于分流作用， 減弱了氣流與垂直壁面的碰撞， 減小了動(dòng)能損失，提高了做功能力。

（2）低壓進(jìn)汽室結(jié)構(gòu)改進(jìn)（case4）， 使得進(jìn)汽腔室氣流分布更加均勻， 出口截面壓力， 速度等參數(shù)分布均勻， 減小了出口氣流速度， 使得總壓損失大大減小， 比case3的總壓損失降低了0.22%。