核電半速1 710mm 末級長葉片靜葉氣動優(yōu)化

景 偉，楊 銳，楊建道，彭澤瑛

（上海汽輪機廠有限公司，上海 200240）

半速核電汽輪機低壓缸末級葉片的長度隨著裝機容量不斷增加而加長，從而有助于減少低壓缸的數(shù)目，同時也可以減小余速損失，然而葉片的加長為設(shè)計工作帶來了一系列的挑戰(zhàn)。核電低壓缸末級長葉片工作環(huán)境惡劣（濕蒸汽區(qū)），在離心力作用下，長葉片長度加長將導(dǎo)致徑向壓力梯度更大，根部反動度降低，這容易引起較大的馬赫數(shù)和根部流動分離。經(jīng)過長達(dá)30年的開發(fā)經(jīng)驗積累，上海汽輪機廠長葉片的開發(fā)流程已經(jīng)實現(xiàn)規(guī)格化、系列化，目前按照約30%的排氣面積間隔，已經(jīng)開發(fā)出一系列火電和核電長葉片。了解和掌握長葉片的氣動性能，開發(fā)新型長葉片及高效核電機組，在重視節(jié)能減排的今天已經(jīng)得到各大廠方的熱切關(guān)注。本文主要介紹CAP1400 機組1 710mm 末級靜葉的優(yōu)化流程及結(jié)果，研究工作對降低流動損失、提高長葉片級通流效率有非常重要的意義。

1 優(yōu)化的方法及步驟

1.1 優(yōu)化依據(jù)

優(yōu)化的手段是：在CFD 模擬計算結(jié)果中發(fā)現(xiàn)問題，提出修正，調(diào)整末級靜葉，對靜葉調(diào)整過的流場進(jìn)行分析，保證末三級進(jìn)口、出口邊界條件不變，以末三級出力和效率為優(yōu)化目標(biāo)，尋找最佳設(shè)計方案。

鑒于1 710mm末級靜葉葉型偏離最佳節(jié)，優(yōu)化的第一步即是增大節(jié)弦比。設(shè)計中，相對節(jié)距是有最佳值的，由最佳值增加，葉型壓力面相對壓力會相應(yīng)升高，吸力面相對壓力會下降，這自然地使出口擴(kuò)壓段增大，進(jìn)而使葉型邊界層阻力引起的氣流能量損失增加；反之，當(dāng)相對節(jié)距由最佳值減小時，雖然型面損失會減小，但是出口邊厚度的相對值增加會導(dǎo)致出口邊損失系數(shù)增加［1］。本文的計算由于缺乏自動化程序，計算量大，因此結(jié)合原設(shè)計實際情況，通過逐漸增加節(jié)弦比來觀察流場是否改善。

末級靜葉平均喉節(jié)比增加后，級反動度顯著升高［2］。對于末級葉片而言，根部反動度高于0.25，頂部反動度低于0.65比較合理［3］，原因是：其一，合理的反動度分布可以降低次流損失；其二，在小容積流量時可以規(guī)避因出現(xiàn)負(fù)的反動度而引起的回流；其三，根部相對較大的反動度，可以提高根部級間壓力，降低根部馬赫數(shù)，減小激波損失。

最后，末級長葉片靜葉根部氣流往往是超音速流動，馬赫數(shù)可能高達(dá)1.8。高的馬赫數(shù)不僅會帶來非常大的激波損失，而且對徑向平衡和動葉氣流沖角有很大的影響。當(dāng)然，根部馬赫數(shù)的大小與反動度息息相關(guān)。在實際設(shè)計中，我們會通過合理設(shè)計根部反動度、優(yōu)化靜葉型線等方法來降低馬赫數(shù)，以減小損失。有文獻(xiàn)認(rèn)為［4］，氣流在噴管喉部加速到音速以后會在噴管出口的斜切部分繼續(xù)加速，因此漸縮噴管適用于Ma＜1.3的工況；而對Ma＞1.3的工況，則需要采用縮放噴管。1 710mm 末級靜葉采用漸縮噴管，如果根部馬赫數(shù)過高，則會造成較大的激波損失和型面損失，因此需要對靜葉根部型線進(jìn)行優(yōu)化。

1.2 優(yōu)化流程

在不改動末級動葉的前提下，通過對靜葉片進(jìn)行微調(diào)來達(dá)到改善通流的目的。首先，減少末級靜葉片只數(shù)，增加相對節(jié)距?？紤]到靜葉只數(shù)減少的同時，會引起通道喉節(jié)比增加，需要準(zhǔn)備兩套方案：其一，在減少葉片只數(shù)的同時，對葉片進(jìn)行扭轉(zhuǎn)，以保持喉節(jié)比與原設(shè)計一致；其二，僅減少葉片只數(shù)，而對葉片其他參數(shù)不作調(diào)整。然后，根據(jù)1 710mm 末級根部反動度較低、靜葉出口馬赫數(shù)較高等特點，適當(dāng)放大靜葉通道喉節(jié)比。喉節(jié)比增加勢必會引起流量的增大，所以需要對模擬中的流量參數(shù)投入更多的關(guān)注。最后，針對靜葉根部的出口馬赫數(shù)較高的問題，對該截面的型線進(jìn)行優(yōu)化。具體流程圖見圖1。

2 計算結(jié)果

圖1 1 710mm 末三級靜葉優(yōu)化流程圖

在1 710mm 原設(shè)計的基礎(chǔ)上，將靜葉中徑處節(jié)弦比由0.54增加到0.65；喉節(jié)比由0.36調(diào)整到0.41。一共計算8 個工況，工況1 記為原設(shè)計。對比原設(shè)計，各工況流量參數(shù)變化非常微??；效率和出力均有增加。本文對各優(yōu)化階段中最佳的工況（1、5、6、7、8工況）進(jìn)行圖示。計算結(jié)果如圖2至圖4所示：

圖2 反動度沿葉高變化曲線

圖3 末級靜葉和動葉（相對）進(jìn)出口汽流角沿葉高變化曲線

圖4 馬赫數(shù)云圖

由圖2至圖4可以看出，當(dāng)靜葉片數(shù)目減少（節(jié)弦比增加，喉節(jié)比有所增加）及平均喉節(jié)比增加時（對比工況1、5、6），反動度整體增加，靜葉進(jìn)口氣流角減小，動葉進(jìn)口相對氣流角增加，靜葉根部馬赫數(shù)降低；僅僅增加靜葉根部喉節(jié)比時（對比工況5、7），根部反動度增加而頂部反動度下降，反動度沿葉高分布更均勻，根部動葉焓降增加，級間壓力上升，所以靜葉根部馬赫數(shù)下降。

修改靜葉根部型線對末三級三維流場難以造成較大影響，所以流場參數(shù)變化不明顯，這部分將在本文的二維場計算中進(jìn)行詳細(xì)闡述。對末級動葉沒有進(jìn)行任何改動，因此動葉的出口相對氣流角基本不變。

型線修改及二維流場計算結(jié)果如圖5至圖7所示（以10%相對葉高截面為例）：

圖5 截面型線修改（虛線為修改后型線）

圖6 優(yōu)化前后葉型表面靜壓分布

圖7 葉柵出口馬赫數(shù)局部放大圖（左側(cè)為修改前，右側(cè)為修改后）

由圖6、圖7可以看出：優(yōu)化后葉柵出口處背弧段壓力升高，馬赫數(shù)降低；內(nèi)弧壓力面壓力降低，馬赫數(shù)升高。從計算結(jié)果來看，葉柵總壓效率從修改前的90.289%升高到91.509%。這些收益可能來自因葉柵出汽端內(nèi)背弧壓差減小而帶來的激波損失減小。

3 結(jié)論

本文通過CFD 三維計算對核電1 710mm 末級靜葉進(jìn)行優(yōu)化，旨在提高汽輪機出力及效率。以末三級為例，總結(jié)其效率、出力、流量隨末級節(jié)弦比、喉節(jié)比、級反動度等重要氣動參數(shù)而變化的規(guī)律；同時，通過對靜葉根部型線進(jìn)行修改以適應(yīng)靜葉根部較高的馬赫數(shù)。通過計算和優(yōu)化后，末三級效率和出力明顯提高。

雖然實際葉片設(shè)計是更多氣動參數(shù)綜合優(yōu)化的結(jié)果，但本文基于上述參數(shù)的優(yōu)化結(jié)果對低壓缸末級長葉片的開發(fā)仍具有一定的參考價值，能夠為企業(yè)低壓缸末級長葉片的開發(fā)設(shè)計起到積極的推進(jìn)作用。

［1］蔡頤年.蒸汽輪機［M］.西安：西安交通大學(xué)出版社，2007.

［2］程凱，彭澤瑛.末級長葉片幾何參數(shù)對汽輪機流場氣動特性的影響［J］.熱力透平，2008，37（3）：168－173.

［3］李春，張禹，劉躍飛.大型空冷汽輪機通流設(shè)計［J］.汽輪機技術(shù)，2006，48（4）：259－261.

［4］STüER H，TRUCKENMüLLER F，BORTHWICK D，et al.Aerodynamic Concept for Very Large Steam Turbine Last Stages［C］／／Proceedings of GT2005，ASME Trubo Expo 2005，Power for Land，Sea and Air June.Nevada，USA：［s.n.］，2005：GT2005－68746.