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        某背壓機組內(nèi)外缸夾層結(jié)構(gòu)設(shè)計與氣動損失分析

        2022-07-09 13:54:24張軍輝高驥張苗王曉斐郭則傳
        機電信息 2022年13期

        張軍輝 高驥 張苗 王曉斐 郭則傳

        摘 要:針對某工業(yè)背壓式汽輪機小焓降、大流量的特點,為了優(yōu)化布置,進一步提高氣道性能,開發(fā)了一種內(nèi)外缸夾層的回流結(jié)構(gòu)。對該夾層模型進行了全尺度數(shù)值模擬,并給出了夾層氣動損失的量化趨勢,為機組設(shè)計者與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供了便利。

        關(guān)鍵詞:背壓式汽輪機;汽缸夾層;氣動損失;數(shù)值分析

        中圖分類號:TK262? 文獻標志碼:A? 文章編號:1671-0797(2022)13-0038-03

        DOI:10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.13.011

        0??? 引言

        工業(yè)汽輪機除應(yīng)用于電站、船舶以外,還可驅(qū)動各類泵、鼓風機、壓縮機等,廣泛應(yīng)用于石化煉油、化工、冶金、制糖、建材等國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域[1]。提高工業(yè)汽輪機效率的途徑包括通流部分的提效和氣流通道的優(yōu)化。近些年來,許多工程師及科研工作者在提高通流部分的效率上做了很多工作[2-4]。相比于通流部分的提效,氣流通道部分的研究和改進不是很多,而工業(yè)汽輪機的進氣通道相比電站汽輪機在結(jié)構(gòu)上更緊湊,氣流更紊亂,流動損失更大,可改進空間更大。通過對其復(fù)雜流場的分析進而指導(dǎo)氣流通道結(jié)構(gòu)的改進,可以減小氣流通道的壓損和入口氣流的不均勻度,從而提高整機的效率。在小焓降、大流量的背壓式汽輪機中,氣流通道改進的收效將更加顯著[5]。

        1??? 結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析模型

        圖1為本次所設(shè)計的夾層氣動結(jié)構(gòu)半剖面圖。圖2為夾層氣動模型邊界條件示意圖,其中,0-0截面是夾層進口,即內(nèi)缸持環(huán)出口,它與回流前動葉出口相接;1-1截面是夾層出口,即導(dǎo)葉進口邊界,后面跟著一級導(dǎo)葉,該面為夾層模型與葉片模型的交界面;2-2截面是導(dǎo)葉出口邊界,也是計算出口邊界。沿著流向,蒸汽方向經(jīng)歷了180°的變化,依次經(jīng)過截面0-0、截面N(N=1,2,3,4,5)、截面1-1、截面2-2。其中,0-0截面的夾層進口底徑為D01=667 mm,進口頂徑為D02=847.8 mm,進口面積S0=π/4×(D012-D022);1-1截面導(dǎo)葉進口底徑為D11=670 mm,進口頂徑為D12=815.4 mm。

        2??? 氣動模型與數(shù)值計算方法

        本次研究采用ANSYS CFX對“夾層+導(dǎo)葉”氣動模型進行三維分析,共計算了6個工況,如表1所示,表中絕對氣流角α0-0為動葉出口絕對速度C0-0與其圓周速度U的夾角。

        首先采用Solidworks對實際結(jié)構(gòu)進行幾何清理,再采用meshing對夾層模型進行網(wǎng)格劃分,該部分網(wǎng)格為四面體網(wǎng)格,設(shè)置合適的第一層網(wǎng)格厚度,總網(wǎng)格數(shù)為1 625萬;采用Turbogrid對導(dǎo)葉模型進行網(wǎng)格劃分,該部分網(wǎng)格為六面體網(wǎng)格,并設(shè)置合適的第一層網(wǎng)格厚度,導(dǎo)葉共68只,其總網(wǎng)格數(shù)約為420萬,如圖3所示。給定夾層進口面總壓P0-0,tot、總焓H0-0,tot,給定流動方向α0-0,給定導(dǎo)葉出口面流量M2-2;根據(jù)右手準則,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向為右旋,給定動葉出口底徑壁面旋轉(zhuǎn)速度3 000 r/min,并設(shè)置一定的出口延長段,除在夾層出口與導(dǎo)葉進口處建立交界面外,其余面設(shè)置為絕熱無滑移壁面。整個氣動模型的示意圖如圖4所示。計算工質(zhì)選用IAPWS-97中的過熱蒸汽物性,湍流模型選用k-epsilon雙方程模型。這里需要注意的是,夾層進口并非是動葉出口,而是內(nèi)缸出口,為了能與熱力分析程序計算的動葉出口速度做比較,在動葉出口絕對氣流角α0-0不變的假設(shè)下,需要就S0與動葉出口環(huán)形面積進行一定的折算。

        3??? 結(jié)果對比

        在分析中需要用到以下公式:

        總壓損失=(P0-0,tot-P1-1,tot)/P0-0,tot×100%

        靜壓損失=(P0-0,sta-P1-1,sta)/P0-0,sta×100%或

        (P0-0,sta-PN,sta)/P0-0,sta×100%

        其中,下標tot代表總壓,sta代表靜壓,N代表不同截面位置。

        圖5為夾層進口動能與總壓壓損之間的關(guān)系,隨著流量的減小,根據(jù)速度三角形關(guān)系,夾層進口的絕對速度在周向上的分量CU方向從與圓周速度U相反慢慢變成同向,進口動能在0.7~0.8 kJ/kg附近出現(xiàn)拐點,總壓損失呈現(xiàn)出減小趨勢。圖6為導(dǎo)葉進口動能與總壓壓損之間的關(guān)系,隨著流量的增大,總壓損失單調(diào)遞增。

        為保證工程設(shè)計的可靠性,在數(shù)值計算靜壓壓損的基礎(chǔ)上,給定1.1倍的設(shè)計裕量(等于5%的計算偏差裕量×5%的形狀偏差裕量)。圖7給出了折算后的動葉出口動能(C0-02/2 000)與實際靜壓壓損之間的關(guān)系,圖8給出了動葉出口流量系數(shù)(C0-0Z/Urms,C0-0Z為0-0截面軸向速度,Urms為動葉出口中徑處圓周速度)與導(dǎo)葉進口動能(C1-12/2 000)、實際靜壓壓損之間的關(guān)系,隨著流量的增大,動葉流量系數(shù)遞增,夾層結(jié)構(gòu)對應(yīng)的靜壓損失以及導(dǎo)葉的進口動能同樣線性增加。

        圖9為不同工況下不同截面N處的實際靜壓損失變化,其中0截面與0-0位置一致,6截面與1-1截面位置一致。從圖中可以看出,case1~case4這四個工況在0—1這段結(jié)構(gòu)的損失增加較為明顯,case5在0—1段結(jié)構(gòu)的損失增加幅度較小,case6在0—1段結(jié)構(gòu)的損失值是負值,說明這部分產(chǎn)生了靜壓恢復(fù)效果;所有工況在1—4段結(jié)構(gòu)的損失變化均較為平緩,呈現(xiàn)出先減小后增大的規(guī)律,其中case6在1—4段結(jié)構(gòu)的損失均為負值;所有工況在4—6段的損失增加均非常明顯,且流量越大,增加幅度越大,這也充分說明了4—6段結(jié)構(gòu)的優(yōu)化空間較大,是減小損失、提高能效應(yīng)重點關(guān)注的部分。

        4??? 結(jié)語

        本文給出了一種背壓式汽輪機內(nèi)外缸夾層結(jié)構(gòu),并對該結(jié)構(gòu)進行了宏觀的氣動損失分析。分析結(jié)果表明,夾層結(jié)構(gòu)的損失與導(dǎo)葉進口動能、動葉出口動能存在一定的關(guān)系,其靜壓損失在進口段與出口段的分布較為集中。本次分析為機組設(shè)計者進行參數(shù)選取提供了依據(jù),也為工程設(shè)計與結(jié)構(gòu)優(yōu)化帶來了便利。

        [參考文獻]

        [1] 侯曼西.工業(yè)汽輪機[M].重慶:重慶大學出版社,1995.

        [2] SCARLIN B.Advanced steam turbine technology for improved operating efficiency[J].ABB Review,1996(8):15-24.

        [3] 何阿平,彭澤瑛.上汽-西門子型百萬千瓦超超臨界汽輪機[J].熱力透平,2006,35(1):1-7.

        [4] 藍吉兵,丁旭東,孔建強,等.工業(yè)汽輪機高效壓力級葉型優(yōu)化與應(yīng)用[J].熱力透平,2018,47(4):264-267.

        [5] 黎旭.工業(yè)汽輪機進汽通道的氣動性能改進研究[D].杭州:浙江大學,2020.

        收稿日期:2022-04-11

        作者簡介:張軍輝(1982—),男,浙江東陽人,碩士,高級工程師,長期從事透平機械技術(shù)研發(fā)工作。

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