趙俊波，蘆 昊，李燕飛，姚福鋒

(中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第七〇三研究所，黑龍江 哈爾濱 150078)

我國(guó)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)是能源消費(fèi)需求擴(kuò)大的最主要驅(qū)動(dòng)，短期內(nèi)提高能源利用效率依然是以降低資源消耗，減少碳排放為主要途徑[1]，電力行業(yè)的低碳發(fā)展對(duì)于我國(guó)實(shí)現(xiàn)2030年碳減排目標(biāo)具有重要意義[2]。在“雙碳”目標(biāo)下，節(jié)能裝備的設(shè)計(jì)和研發(fā)是重要支撐，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)的能源利用效率還相對(duì)偏低，因此加大節(jié)能設(shè)備研發(fā)是提高能源利用效率，實(shí)現(xiàn)碳排放達(dá)峰目標(biāo)的重要抓手。

隨著我國(guó)能源電力事業(yè)不斷發(fā)展，汽輪機(jī)的熱力參數(shù)也在提升。熱力參數(shù)升高增加了級(jí)內(nèi)壓差，一方面導(dǎo)致葉柵通道內(nèi)蒸汽泄漏量增大；另一方面導(dǎo)致作用于轉(zhuǎn)子的軸向推力提升，影響機(jī)組的安全性。通常在沖動(dòng)式汽輪機(jī)的靜葉隔板根部和動(dòng)葉葉頂設(shè)置迷宮式汽封結(jié)構(gòu)，同時(shí)在動(dòng)葉葉輪上設(shè)置平衡孔結(jié)構(gòu)，使汽輪機(jī)安全高效運(yùn)行，設(shè)計(jì)得當(dāng)?shù)钠胶饪祝€能顯著降低透平級(jí)的流動(dòng)損失[3]。Cofer指出通過靜止部件和轉(zhuǎn)動(dòng)部件之間密封的泄漏損失占通流氣動(dòng)損失的近1/4[4]，Barmpalias[5]指出適當(dāng)延長(zhǎng)靜葉機(jī)匣延伸段長(zhǎng)度能夠通過減少轉(zhuǎn)子入口空腔體積來(lái)降低泄漏損失，對(duì)提升級(jí)效率有好處。文獻(xiàn)[6]指出迷宮式密封是通過將環(huán)形腔室內(nèi)三維渦流的泄漏動(dòng)能有效地耗散成熱能，從而起到密封作用。陳陽(yáng)等[7]通過對(duì)三級(jí)實(shí)驗(yàn)透平的數(shù)值模擬，研究了動(dòng)葉葉頂間隙、靜葉葉根與隔板間隙的泄漏對(duì)透平性能的影響。文獻(xiàn)[8]研究發(fā)現(xiàn)隔板漏汽對(duì)葉型損失有比較大的影響, 應(yīng)該盡量減少隔板漏汽以減輕對(duì)末級(jí)動(dòng)葉根部流場(chǎng)的擾動(dòng)。劉利宏等[9]認(rèn)為合理設(shè)計(jì)平衡孔及前后隔板汽封，可以減少泄漏流導(dǎo)致的二次流動(dòng)，改善葉柵內(nèi)主流的流動(dòng)。LUO[10]和劉網(wǎng)扣[11]的相關(guān)研究表明與無(wú)平衡孔的透平級(jí)相比，帶平衡孔的級(jí)能夠改善級(jí)效率。文獻(xiàn)[12]的研究表明對(duì)沖動(dòng)式汽輪機(jī)輪式轉(zhuǎn)子中直平衡孔的開設(shè)降低了汽輪機(jī)運(yùn)行效率并削弱平衡軸向正推力的作用，為提高汽輪機(jī)運(yùn)行效率及安全性有必要對(duì)平衡孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[13]針對(duì)平衡孔漏汽對(duì)透平級(jí)性能的影響問題進(jìn)行了試驗(yàn)和數(shù)值研究，研究表明根部汽封間隙對(duì)級(jí)間吸漏汽量的影響很大，平衡孔面積在滿足推力的前提下不宜開得太大。

目前對(duì)于濕蒸汽透平級(jí)內(nèi)汽封與平衡孔對(duì)通流氣動(dòng)性能的研究較少，透平級(jí)性能對(duì)機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性和安全性的影響至關(guān)重要。因此以某高轉(zhuǎn)速汽輪機(jī)末三級(jí)為研究對(duì)象，建立含動(dòng)靜、葉汽封及平衡孔的真實(shí)汽輪機(jī)通流數(shù)值計(jì)算模型及不帶靜、葉汽封及平衡孔的通流數(shù)值計(jì)算模型，對(duì)比研究汽封及平衡孔對(duì)透平級(jí)氣動(dòng)性能的影響，以期為濕蒸汽透平級(jí)的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供指導(dǎo)。

1 數(shù)值計(jì)算方法

1.1 幾何建模

圖1給出某高轉(zhuǎn)速汽輪機(jī)末三級(jí)幾何模型示意圖，幾何模型含有靜葉隔板汽封、動(dòng)葉葉頂汽封，前面兩級(jí)葉輪各設(shè)有一個(gè)等效平衡孔。動(dòng)葉和靜葉的汽封結(jié)構(gòu)均采用高低齒形式的迷宮式汽封，其中動(dòng)葉葉頂汽封采用斜齒形式，齒數(shù)為3，動(dòng)葉的徑向間隙充分考慮動(dòng)葉在高溫和高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的伸長(zhǎng)率，動(dòng)靜間隙設(shè)計(jì)為6.3～10.3 mm；靜葉的隔板汽封平齒形式，平齒與底部間距為5.9 mm，齒數(shù)為10。

圖1 汽輪機(jī)末三級(jí)(帶汽封及平衡孔)計(jì)算模型

平衡孔的設(shè)計(jì)需要同時(shí)考慮隔板汽封泄漏流量和葉根的流場(chǎng)情況，為了降低計(jì)算量對(duì)平衡孔做等效處理，分別將5×Φ 40的平衡孔等效在葉輪上。具體參數(shù)如表1所示，相對(duì)于真實(shí)整圈平衡孔進(jìn)行等效平衡孔處理的流量誤差<5%。為了更好適應(yīng)平衡孔與通流部分的耦合計(jì)算，將平衡孔與兩側(cè)間隙流動(dòng)部分(葉輪與隔板的間隙)統(tǒng)一按照平衡孔的周期性來(lái)建模。

表1 平衡孔參數(shù)

1.2 網(wǎng)格劃分與數(shù)值方法

對(duì)某高轉(zhuǎn)速汽輪機(jī)末三級(jí)通流部分開展三級(jí)計(jì)算分析前，選用三套網(wǎng)格開展無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)總網(wǎng)格數(shù)在大于1048.1萬(wàn)后三級(jí)總總效率幾乎不變，如圖2所示，因此認(rèn)為該網(wǎng)格可以正確模擬末三級(jí)濕蒸汽流動(dòng)。葉柵通道網(wǎng)格采用Numeca/Autogrid劃分結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，采用HOH拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，近壁面第一層網(wǎng)格Y+<5，末三級(jí)葉片較長(zhǎng)網(wǎng)格須大幅加密，葉柵通道網(wǎng)格數(shù)達(dá)到841.9萬(wàn)。汽封和平衡孔網(wǎng)格采用SolidWorks建立三維幾何模型，采用Ansys Meshing劃分結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，該部分總網(wǎng)格數(shù)為206.2萬(wàn)，最終所有網(wǎng)格模型在CFX中匯總集成。

圖2 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

數(shù)值計(jì)算采用SST湍流模型，自動(dòng)近壁面處理方法，工質(zhì)采用濕蒸汽模型Steam 3vl以及平衡凝結(jié)模型。對(duì)流項(xiàng)的離散采用高精度格式?？臻g離散使用有限容積法，采用全隱耦合求解方法，動(dòng)靜干涉面采用混合平面法(Stage)，汽封與葉柵通道之間采用Frozen Rotor連接保證局部回流可以被更好地捕捉，壁面采用絕熱無(wú)滑移條件。進(jìn)口邊界條件給定進(jìn)口總壓和總焓，速度方向?yàn)榇怪庇谶M(jìn)口邊界，出口邊界條件為靜壓，同時(shí)給定動(dòng)葉轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)方向。

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 總體性能

總體等熵效率是通過級(jí)的進(jìn)出口焓降來(lái)進(jìn)行計(jì)算分析的，可利用焓降為進(jìn)口總焓與出口總焓的差值，其定義如下式所示

(1)

h2s——出口等熵靜焓。

作用于沖動(dòng)式汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的軸向推力Fz由三部分構(gòu)成：蒸汽作用于全部動(dòng)葉片上的軸向力Fz1，蒸汽作用于輪盤兩側(cè)表面上的軸向力之差Fz2以及蒸汽作用于隔板汽封處軸上凸環(huán)的軸向力Fz3，其中計(jì)算Fz2時(shí)的輪盤受力面積為輪盤面積減去平衡孔面積，全部動(dòng)葉片上的軸向力Fz1為

Fz1=G(c1z-c2z)+πdml2(p1-p2)

(2)

式中c1z、c2z——?jiǎng)尤~片進(jìn)口和出口的氣流軸向速度;

p1、p2——?jiǎng)尤~片進(jìn)口和出口的壓力。

如表2所示，對(duì)比不含汽封及平衡孔通流部分計(jì)算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)增加了汽封及平衡孔以后三級(jí)總焓降由279.07 kJ/kg下降到269.92 kJ/kg，總焓降減少了3.28%，總總效率比不含汽封和平衡孔的純通流下降了2.5%，總軸向推力減少了7.14%。

表2 各級(jí)總體性能對(duì)比

圖3給出各級(jí)熱力膨脹過程線，可以看出總體上各級(jí)焓降均勻，對(duì)比純通流部分計(jì)算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)增加了汽封和平衡孔結(jié)構(gòu)后，透平各級(jí)焓降減少、熵增加，透平整體性能有所降低。其原因是汽封內(nèi)的泄漏流引起的泄漏損失增大，導(dǎo)致工質(zhì)膨脹做功能力下降，從而性能下降。

圖3 各級(jí)熱力膨脹過程線(對(duì)比純通流部分計(jì)算結(jié)果)

2.2 泄漏流與軸向推力情況

各處間隙泄漏率情況如圖4所示。靜葉隔板汽封的泄漏流量隨著級(jí)數(shù)增加而減少，泄漏率分別為0.479%、0.274%、0.010%。動(dòng)葉葉頂汽封的泄漏率隨著級(jí)數(shù)的增加而有減少的趨勢(shì)，由于末級(jí)動(dòng)葉葉頂間隙大于前面兩級(jí)，因此末級(jí)泄漏率最大達(dá)到了4.398%，而前兩級(jí)只有2.840%和1.793%。靜葉和動(dòng)葉間隙相差很小，但是靜葉密封的泄漏率小于動(dòng)葉密封，原因是葉輪盤直徑大，泄漏流在靜葉隔板間歇的徑向流動(dòng)長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于動(dòng)葉，在相同壓差下工質(zhì)更易從葉頂泄漏。

平衡孔內(nèi)泄漏流量逐級(jí)減少，泄漏率分別為0.547%和0.358%，流量減少的原因是隨著工質(zhì)膨脹做功，焓值下降，平衡孔兩端壓差減小，通過設(shè)置平衡孔使得末三級(jí)軸向推力從89.93 kN減少到83.51 kN。

圖4 泄漏率

2.3 泄漏流對(duì)主流的影響

通過葉片表面的極限流線能夠直觀的反映葉柵通道內(nèi)的通道渦的大小和發(fā)展情況，同時(shí)還可以反映出流動(dòng)狀態(tài)。圖5給出了各級(jí)靜動(dòng)葉片吸力面的壁面極限流線分布?？梢钥闯銮皟杉?jí)極限流線分布均勻，葉根和葉頂并沒有出現(xiàn)明顯的展向渦，發(fā)現(xiàn)設(shè)置靜葉隔板汽封和動(dòng)葉葉頂汽封后，展向渦被削弱，部分流線通向汽封，說明汽封造成的流量泄漏使葉柵通道內(nèi)流場(chǎng)更加均勻，減少了二次流損失。在末級(jí)動(dòng)葉壓力面存在流線扭曲，此處產(chǎn)生較大的分離，造成較大二次流損失。

圖5 各級(jí)葉片吸力面極限流線分布

3 結(jié)論

本文以某高轉(zhuǎn)速汽輪機(jī)末三級(jí)為研究對(duì)象，開展了含汽封和平衡孔的透平級(jí)的全三維數(shù)值計(jì)算，并與純通流計(jì)算進(jìn)行了對(duì)比，得到結(jié)論如下：

(1)考慮到汽封和平衡孔結(jié)構(gòu)后，透平級(jí)總焓降減少了3.28%，總總等熵效率下降了2.5%，氣動(dòng)性能有所下降，但軸向推力減少了7.1%，機(jī)組安全性有所提高。

(2)級(jí)前后壓差隨級(jí)數(shù)增加而減少，從而導(dǎo)致汽封和平衡孔內(nèi)泄漏率也隨級(jí)數(shù)增加而減少。由于葉輪盤直徑大，泄漏流在靜葉隔板間隙的徑向流動(dòng)長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于動(dòng)葉，在相同壓差下工質(zhì)更易從葉頂泄漏。

(3)設(shè)置靜葉隔板汽封和動(dòng)葉葉頂汽封后，展向渦被削弱，部分流線通向汽封，使葉柵通道內(nèi)流場(chǎng)更加均勻。機(jī)組設(shè)計(jì)中應(yīng)通過對(duì)汽封及平衡孔與葉片之間的匹配優(yōu)化設(shè)計(jì)以減小泄漏損失，提高通流效率。