大型汽輪機低壓排汽缸氣動分析研究

江生科，彭英杰

(東方汽輪機有限公司， 四川 德陽， 618000)

大型汽輪機低壓排汽缸氣動分析研究

江生科，彭英杰

(東方汽輪機有限公司， 四川 德陽， 618000)

低壓排汽缸的氣動性能影響汽輪機組的功率和效率。文章對單獨排汽缸和汽輪機低壓末級整圈與排汽缸耦合進行了數(shù)值分析對比，發(fā)現(xiàn)汽輪機末級動葉出口流場的不均勻性和強烈的預(yù)旋影響低壓排汽缸的氣動性能。高性能的低壓排汽缸設(shè)計應(yīng)該考慮末級與低壓排汽缸流場之間的相互作用。

排汽缸，氣動性能，數(shù)值分析，耦合

1 前言

低壓排汽缸是汽輪機的重要部件之一。進入汽輪機的蒸汽在通流各級做功后，從低壓末級動葉出來進入低壓排汽缸，由于汽輪機末級容積流量較大， 余速 c2也較大， 所以末級動葉排出的汽流具有較大的動能。高速汽流通過低壓排汽缸的軸向-徑向擴壓管和排汽蝸殼進入凝汽器， 在擴壓管中，汽流的部分動能轉(zhuǎn)化為壓力能，使得擴壓管出口壓力升高，在排汽蝸殼中，有大量筋板和撐管，汽流由于摩擦、渦流、轉(zhuǎn)向等阻力作用而產(chǎn)生壓力下降，這部分壓降損失稱為汽輪機的排汽阻力損失，該損失是無法避免的。為了提高機組的經(jīng)濟性，要求排汽缸具有良好的氣動性能，盡可能在擴壓管中將排汽動能轉(zhuǎn)變成壓力能，以補償排汽缸中的排汽阻力損失 （壓力損失）， 增加末級的出力。

根據(jù)東芝公司對某 700 MW 汽輪機內(nèi)損失的分析結(jié)果，排汽損失約占整個汽輪機內(nèi)損失的15%。 通常， 排汽能量相當(dāng)于總的可用等熵能量的 1%～2%， 計算表明， 對于汽輪機來說， 排汽缸損失系數(shù) ξ每降低 0.1， 就可使汽輪機效率提高約0.1%～0.15%。 因此， 改進排汽缸的氣動性能是提高汽輪機經(jīng)濟性極具潛力的途徑。

往常，由于計算分析軟件和計算機硬件的限制，僅針對單獨的排汽缸結(jié)構(gòu)進行分析和優(yōu)化。在汽輪機實際運行工況下，汽輪機低壓末級出口流場具有強烈的預(yù)旋和不均勻的壓力分布，這樣的流場結(jié)構(gòu)影響排汽缸的氣動性能；同時非軸對稱的排汽缸也會在汽輪機出口位置產(chǎn)生不均勻的壓力場，影響汽輪機末級葉柵內(nèi)的流動，因此，高性能的排汽缸設(shè)計應(yīng)該考慮末級與排汽缸流場之間的相互作用。為了掌握排汽缸真實的氣動性能和流場結(jié)構(gòu)，本文以東汽設(shè)計的某大型汽輪機的低壓末級和排汽缸為研究對象，分別采用對單獨排汽缸和汽輪機低壓末級整圈與排汽缸耦合的方法，進行氣動性能和流場結(jié)構(gòu)的對比分析研究，對低壓排汽缸的氣動性能進行了客觀的評價。

2 排汽缸性能評價指標(biāo)

一般來說，排汽缸氣動性能好壞的指標(biāo)可用它的能量損失系數(shù)ξ和靜壓恢復(fù)系數(shù)ψ來衡量，這也是國際上通常采用的評價指標(biāo)。

根據(jù)能量平衡方程， 排汽缸的能量損失系數(shù) ξ、 靜壓恢復(fù)系數(shù)ψ可定義如下:

ξ 與 ψ 相對應(yīng)， 靜壓恢復(fù)系數(shù) ψ 愈高則能量損失系數(shù) ξ愈低。 當(dāng)能量損失系數(shù) ξ=1， 則靜壓恢復(fù)系數(shù) ψ=0， 排汽余速動能全部損失掉， 該排汽缸不具備靜壓恢復(fù)能力。 當(dāng) ξ＞1 時， 排汽余速動能不但全部損失掉，還要損失部分壓力能，以克服流動阻力。因此能量損失系數(shù)ξ愈低的排汽缸，其氣動性能愈好，在排汽缸的設(shè)計時應(yīng)使其靜壓恢復(fù)性能良好，盡可能地將排汽動能轉(zhuǎn)變成為靜壓，消耗較小的動能來克服流動阻力，從而降低排汽缸的總能量損失。

3 計算模型、網(wǎng)格劃分和數(shù)值方法

3.1 計算模型

采用三維軟件對低壓排汽缸建模，計算模型尺寸與實物比例為 1∶1， 排汽缸結(jié)構(gòu)、 內(nèi)部筋板及撐管和實物保持一致。進行單獨排汽缸計算時，以末級動葉片出口為單獨排汽缸計算域的進口，計算域出口為冷凝器喉部截面的延伸段，單獨排汽缸具有對稱性，計算域為單獨排汽缸的一半，計算域示意圖見圖1。 低壓末級與排汽缸耦合計算時，動、靜葉片通道采用專用軟件進行建模，并保證模型坐標(biāo)與排汽缸一致。圖2是低壓末級和排汽缸三維結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 單獨排汽缸的計算域示意圖

圖2 低壓末級和排汽缸三維結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 網(wǎng)格劃分

采用商用軟件 ICEM CFD11.0 對低壓排汽缸進行網(wǎng)格劃分。由于低壓排汽缸結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格質(zhì)量和數(shù)量達(dá)到一定規(guī)模并進行了網(wǎng)格無關(guān)性的計算。低壓末級動、靜葉通道采用專用軟件進行六面體多塊結(jié)構(gòu)化計算網(wǎng)格，靜葉整圈的計算網(wǎng)格數(shù)目是 3×106左右， 動葉整圈的計算網(wǎng)格數(shù)目是 9×106左右。 低壓末級與排汽缸耦合計算區(qū)域的計算網(wǎng)格數(shù)目是 1.5×107左右。圖3是低壓末級單通道與整個排汽缸耦合計算網(wǎng)格圖。

圖3 低壓末級單通道與整個排汽缸耦合計算網(wǎng)格圖

3.3 數(shù)值方法

使 用 普 遍 的 求 解 雷 諾 時 均 處 理 的 Navier-Stokes 方程組， 并采用湍流模型對方程組進行封閉。 采用商用軟件 ANSYSCFX11.0 對低壓末級單通道與排汽缸耦合網(wǎng)格進行 RANS方程數(shù)值求解，湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn) k-ε 兩方程模型， 近壁面采用改進壁面函數(shù)法求解，離散格式為高精度格式，壁面為無滑移光滑固壁。動、靜網(wǎng)格交接面采用混合平面法進行數(shù)據(jù)傳遞。在計算中工質(zhì)為水蒸汽，進口給定流量、溫度和干度，出口給定冷凝器喉部靜壓。

4 計算結(jié)果及分析

4.1 單獨排汽缸

單獨排汽缸數(shù)值計算得到排汽缸的靜壓恢復(fù)系數(shù) ψ 是 0.425， 從計算結(jié)果看該排汽缸具有良好的氣動性能。

圖4給出了排汽缸計算得到的三維流線圖。從圖中可以看出，在排汽缸的擴壓管腔室內(nèi)，汽流速度逐漸減小，起到了減速增壓的作用。圖5是排汽缸內(nèi)從進口到出口的5個特征截面上的靜壓等值線分布。從圖中可以看出，在擴壓管腔室內(nèi)靜壓逐漸升高，從擴壓管出口到排汽缸出口，靜壓逐漸下降，氣流流速也逐漸下降，說明排汽缸的流動損失主要集中在排汽缸的排汽蝸殼中。

圖4 單獨排汽缸三維流線圖

圖5 單獨排汽缸特征截面上的靜壓等值線分布

圖6是排汽缸內(nèi)的總壓損失系數(shù)等值線分布。從圖中可以看出，排汽缸擴壓管內(nèi)的流動損失很小，而在擴壓器出口流動損失逐漸增加，這主要是由于排汽蝸殼中的筋板和撐管及其形成復(fù)雜腔室造成的。改善低壓排汽缸氣動性能的途徑是增加擴壓管的擴壓能力和減小排汽蝸殼內(nèi)的流動損失。

圖6 單獨排汽缸損失系數(shù)等值線分布

4.2 低壓末級整圈和排汽缸耦合

低壓末級整圈和排汽缸耦合數(shù)值計算得到排汽缸的靜壓恢復(fù)系數(shù) ψ 是 0.14， 比單獨排汽缸的靜壓恢復(fù)系數(shù)小，末級動葉的出口流動對排汽缸的氣動性能具有較大的影響。

圖7給出了末級整圈與排汽缸耦合計算得到的三維流線圖，從流線圖可以看出，由于排汽缸結(jié)構(gòu)復(fù)雜，單獨排汽缸和末級整圈與排汽缸耦合計算得到的排汽缸蝸殼內(nèi)的流場都非常紊亂，產(chǎn)生了較大的流動損失。

圖7 末級整圈與排汽缸耦合計算三維流線圖

圖8是末級整圈與排汽缸耦合計算末級子午流道流場和動葉出口旋流圖，從圖中可以看出，末級出口壓力和馬赫數(shù)沿葉高分布不是均勻的，有較大的壓力和速度梯度。 由于轉(zhuǎn)子的高速旋轉(zhuǎn)在動葉出口還存在一定的軸向分速，即通常所稱的汽流周向預(yù)旋。在排汽缸進口，這種高度的不均勻的氣流流場對排汽缸氣動性能會產(chǎn)生較大的影響。

圖8 末級整圈與排汽缸耦合計算末級子午流道流場和動葉出口旋流圖

圖9是末級整圈與排汽缸耦合計算排汽缸特征截面靜壓等值線分布，從圖中可以看出，采用低壓末級與排汽缸耦合計算后，在排汽缸擴壓管中，壓力從進口到出口壓力逐漸增加，存在一定程度的擴壓，但同單獨排汽缸的計算結(jié)果相比，其擴壓程度明顯減弱了很多，說明進口流場的不均勻和汽流周向預(yù)旋的存在是擴壓管的擴壓能力減弱的關(guān)鍵所在。

圖9 末級整圈與排汽缸耦合計算排汽缸特征截面靜壓等值線分布

圖 10是末級整圈與排汽缸耦合計算排汽缸特征截面總壓損失系數(shù)等值線分布，從圖中可以看出，采用低壓末級與排汽缸耦合后，在排汽缸擴壓管中，擴壓器的外導(dǎo)流環(huán)背弧區(qū)域產(chǎn)生了一定區(qū)域的高損區(qū)，某些特征截面上擴壓管中的高損區(qū)較大，從而危及整個排汽缸的氣動性能。

圖10 末級整圈與排汽缸耦合計算排汽缸特征截面總壓損失系數(shù)等值線分布

對排汽缸的靜壓恢復(fù)系數(shù)和總損失系數(shù)總體特性和流場分析的結(jié)果來看，末級動葉的出口流動對排汽缸的氣動性能具有很大的影響，主要原因是末級動葉出口流場的不均勻性和出口汽流較大的周向速度，造成進入排汽缸擴壓器的汽流具有很大的預(yù)旋，進而影響了排汽缸的氣動性能。

5 結(jié)論

本文進行了單獨排汽缸和低壓末級與排汽缸耦合的數(shù)值分析研究，分析了用兩種方法得到低壓排汽缸氣動性能差異的原因，得到以下結(jié)論:

（1）在汽輪機中， 排汽缸不是獨立工作的， 低壓末級動葉和排汽缸的氣動性能和流場會相互作用，相互影響，單獨排汽缸計算得到的氣動性能和實際的排汽缸會有一定的差異。

（2）末級動葉出口流場的不均勻性和出口汽流較大的周向預(yù)旋，是影響排汽缸的氣動性能計算結(jié)果差異的關(guān)鍵所在。

（3）計算軟件和計算機硬件技術(shù)允許的條件下，在進行排汽缸氣動設(shè)計和優(yōu)化的過程中，應(yīng)大力開展末級與低壓缸耦合乃至整個低壓通流與排汽缸耦合的數(shù)值計算分析，獲得更客觀、更真實的結(jié)果。

[1]沈士一, 等. 汽 輪機原理[M]. 北京: 水利電力 出版社,1992

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Aerodynam ic Performance Analysis of LP Exhaust Hood for Large Power Steam Turbine

Jiang Shengke， Peng Yingjie
(Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000)

Aerodynamic performance of the LP exhausthood influenced power and efficiency of the steam turbine.Numerical analysis for single cylinder and LP last stage coup ling with exhaust hood showed that the exit flow fieldˊs inhomogeneity and pre-swirl of last stage blade affected the aerodynamic performance of LP exhaust hood.Design of LP exhaust hood with high performance should consider the interaction of the last stage and flow field of LP exhaust hood.

exhausthood,aerodynamic performance,numerical analysis,coupling

TK262

： A

： 1674-9987(2014)02-0001-04

江生科 （1971-）， 男， 高級工程師， 1995 年畢業(yè)于東北大學(xué)熱能工程專業(yè)， 長期從事汽輪機研究和設(shè)計工作。