光熱汽輪機(jī)低壓進(jìn)汽結(jié)構(gòu)氣動性能分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)

吳方松，邵衛(wèi)東，李伯武，尹剛，宋立明，李軍

(1.東方汽輪機(jī)有限公司，四川 德陽，618000；2.西安交通大學(xué)葉輪機(jī)械研究所，陜西 西安，710049；3.陜西省葉輪機(jī)械及動力裝備工程實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安，710049)

隨著可再生化石能源的急劇減少和生態(tài)環(huán)境的持續(xù)惡化，新能源發(fā)電已經(jīng)成為電力生產(chǎn)結(jié)構(gòu)中的重要組成部分，其占有的比例將逐步升高。太陽能光熱發(fā)電[1]作為新能源利用的一種新方式，具有分布廣、易于儲能等特點(diǎn)，從而成為了新能源商業(yè)化利用的重點(diǎn)方向。在太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)中，汽輪機(jī)是將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的關(guān)鍵動力設(shè)備，其機(jī)組效率直接影響系統(tǒng)的熱效率。

低壓缸的功率占整機(jī)功率的三分之一左右，故其效率也直接影響汽輪機(jī)組效率。盡管低壓缸的葉片型線和葉片通道的優(yōu)化設(shè)計(jì)已經(jīng)相對完善，但目前低壓缸的第一級效率只有65%左右，遠(yuǎn)低于其它級的效率[2]，導(dǎo)致整缸性能大幅降低。造成第一級效率嚴(yán)重偏低的原因可能有：級間漏汽損失[3]和無葉通道的低氣動性能。級間漏汽未參與葉輪做功，直接流入級后并提高了級后溫度，從而導(dǎo)致級效率降低，可通過調(diào)整級間密封來降低漏氣損失。無葉通道是指主汽閥到凝汽器之間的所有連接管道和蝸殼，其氣動性能主要包括總壓損失和汽流組織形式等；無葉通道主要分為進(jìn)汽和排汽結(jié)構(gòu)，其中低壓排汽缸的研究已相對成熟[4-5]。而在低壓缸進(jìn)汽道中，彎管和蝸殼造成的渦流損失和汽流組織不好，使得第一級的汽流入口均勻度和速比偏離葉片設(shè)計(jì)最佳值，這是導(dǎo)致第一級效率偏低的主要原因。

有研究者通過改變低壓缸的進(jìn)汽彎管[6]和導(dǎo)流片的傾斜角度[7]來提高進(jìn)汽均勻度，從而改善第一級效率，但這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)僅考慮了單獨(dú)部件的氣動性能，忽略了部件之間氣動性能的相互影響[8]。從提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)確性的角度講，需要將無葉通道與葉柵通道相匹配。

本文采用數(shù)值模擬對國內(nèi)某太陽能光熱發(fā)電汽輪機(jī)低壓進(jìn)汽結(jié)構(gòu)進(jìn)行通流分析，并對進(jìn)汽蝸殼與彎管進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上研究了不同閥門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對低壓進(jìn)汽結(jié)構(gòu)氣動性能的影響。

1 數(shù)值方法

1.1 計(jì)算模型

低壓進(jìn)汽結(jié)構(gòu)由蒸汽閥、進(jìn)汽彎管和蝸殼組成，在耦合第一級葉片的基礎(chǔ)上，兩部分共同構(gòu)成了本文所采用的計(jì)算模型，如圖1所示。蒸汽從進(jìn)口進(jìn)入蒸汽閥，再流過彎管后通過蝸殼，最后在葉柵中膨脹做功后從出口排出。考慮到第一級葉片與進(jìn)汽蝸殼間的相互影響，本文采用整圈葉柵進(jìn)行計(jì)算。為了更清晰地分辨出第一級葉柵結(jié)構(gòu)，圖2和圖3分別展示了整圈靜葉和整圈動葉，其中靜葉與動葉的數(shù)目分別為42和146。整個進(jìn)汽結(jié)構(gòu)采用了軸對稱布置的方式，且計(jì)算時(shí)的進(jìn)口和出口都進(jìn)行了相應(yīng)的延伸來消除回流的不利影響。

圖1 低壓進(jìn)汽結(jié)構(gòu)模型

圖2 低壓缸第一級整圈靜葉

圖3 低壓缸第一級整圈動葉

在計(jì)算模型經(jīng)過光順處理后，對圖1所示的進(jìn)汽結(jié)構(gòu)進(jìn)行了網(wǎng)格劃分。進(jìn)汽結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格由兩部分組成：采用商業(yè)軟件ANSYS-ICEM對無葉通道進(jìn)行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格生成，采用NUMECA-AU-TOGRID對葉柵通道進(jìn)行了六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格生成。圖4展示了蝸殼與彎管及其連接處的網(wǎng)格，在蝸殼出口與第一級靜葉的交接面處網(wǎng)格布置較為致密。進(jìn)汽閥的網(wǎng)格如圖5所示，在曲率半徑較小處也控制網(wǎng)格尺度與結(jié)構(gòu)相匹配?？紤]到邊界層內(nèi)速度梯度較大，對近壁面采用三棱柱網(wǎng)格進(jìn)行了加密處理，如圖6所示。生成的整圈靜葉和動葉的局部網(wǎng)格如圖7和圖8所示，為了準(zhǔn)確捕捉葉片表面的邊界層和分離流動，對葉片表面均進(jìn)行了加密處理。進(jìn)汽結(jié)構(gòu)整體網(wǎng)格的總節(jié)點(diǎn)數(shù)和單元數(shù)分別為1 700萬和2 200萬左右。

圖4 蝸殼下部與進(jìn)汽彎管表面網(wǎng)格

圖5 蒸汽閥表面網(wǎng)格

圖6 近壁面處加密的網(wǎng)格

圖7 整圈靜葉局部網(wǎng)格

圖8 整圈動葉局部網(wǎng)格

1.2 邊界條件

采用商業(yè)軟件ANSYS-CFX對低壓進(jìn)汽結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬，該求解器基于有限體積法求解三維定常Reynolds-Averaged Navier-Stokes方程，具有二階離散精度，同時(shí)采用了標(biāo)準(zhǔn)k-ε兩方程湍流模型。計(jì)算采用的工質(zhì)為可凝結(jié)水蒸汽Steam5V；進(jìn)口給定總壓和總焓為1.565 MPa和3 214.1 kJ/kg，出口給定靜壓為1.27 MPa；固體壁面采用絕熱無滑移邊界條件。在各項(xiàng)殘差收斂到10－5時(shí)認(rèn)為計(jì)算收斂，通過調(diào)整壁面網(wǎng)格分布來達(dá)到湍流模型對Y+的要求，本文計(jì)算得到的Y+分布如圖9所示，滿足標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型的要求。通過與實(shí)驗(yàn)流量對比，本文數(shù)值計(jì)算的流量相對誤差為0.022%，進(jìn)一步證實(shí)了本文所采用的數(shù)值方法的有效性和準(zhǔn)確性。

圖9 低壓進(jìn)汽結(jié)構(gòu)的Y+分布

2 結(jié)果與討論

2.1 低壓進(jìn)汽結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

在對低壓進(jìn)汽結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)之前，先對原始結(jié)構(gòu)進(jìn)行通流分析。圖10給出了進(jìn)汽彎管與蝸殼內(nèi)流線分布，整體分布成軸對稱性，在彎管內(nèi)流線分布較為均勻且速度大小基本相等；在蝸殼內(nèi)流體從蝸殼下部沿著壁面流到蝸殼上部，并且速度分布呈現(xiàn)上部速度低而下部速度高的特點(diǎn)。但是在彎管與蝸殼連接處有兩個滯止渦 （圖10中紅色標(biāo)記所示），這是從彎管流出的部分流體撞擊到蝸殼壁面所造成的。這兩個滯止渦會減小蝸殼內(nèi)流體的通過面積，阻礙流動并增加一定的壓力損失。

圖10 進(jìn)汽彎管與蝸殼內(nèi)流線分布

原始進(jìn)汽結(jié)構(gòu)的彎管與蝸殼連接不僅會直接影響蝸殼內(nèi)的流動，還會間接影響蝸殼第一級靜葉的進(jìn)汽均勻度和汽流角。為了定量描述這種間接的影響，給出了葉柵通道內(nèi)三個速度分量 （徑向速度RV、軸向速度AV和周向速度TV）和汽流角α的定義，切向速度以逆時(shí)針方向?yàn)檎?，如圖11所示。選取蝸殼與靜葉域的交接面上 （如圖1中P3位置所示）的速度分量和汽流角作為目標(biāo)函數(shù)，因?yàn)槲恢肞3既能反映靜葉的進(jìn)口汽流角也能反映蝸殼與第一級的相互作用。

圖11 葉柵通道內(nèi)速度分量與汽流角示意圖

圖12給出了蝸殼與靜葉交接面P3上的軸向速度分量分布，面P3下部軸向速度較大而上部軸向速度較小；從進(jìn)汽彎管出來的流體經(jīng)過蝸殼收縮段加速導(dǎo)致下部軸向速度大，且圖中虛線的指向正是進(jìn)汽彎管的中心線方向。圖13給出了面P3上的徑向速度分布，其值相對于軸向速度較小且周向分布較為均勻。圖14給出了面P3上的周向速度分布，左右兩側(cè)速度大小相同方向相反，這與蝸殼的對稱性有關(guān)。圖15給出了面P3上的汽流角分布，與周向速度分布的趨勢相同，但是汽流角的跨度較大，這會造成第一級靜葉的周向進(jìn)汽攻角的跨度也較大，不利于葉柵通道中的汽流膨脹做功。

圖12 蝸殼與靜葉交接面上的軸向速度分布

圖13 蝸殼與靜葉交接面上的徑向速度分布

圖14 蝸殼與靜葉交接面上的周向速度分布

圖15 蝸殼與靜葉交接面上的汽流角分布

為了進(jìn)一步研究汽流角沿周向分布，選取葉柵通道10%、30%、50%、70%和90%等五個徑向位置作為參考位置。圖16給出了五個徑向位置的汽流角周向分布，隨著葉高的增大，汽流角逐漸減??；最大和最小汽流角分布在蝸殼的左右兩側(cè)，與汽流角分布云圖一致。除了汽流角外，還需要考慮進(jìn)汽不均勻度，并給出其定義：通過蝸殼與靜葉域交接面P3上的流量與實(shí)驗(yàn)流量的相對誤差。圖17給出了蝸殼與靜葉交接面上的進(jìn)汽不均勻度分布，其呈現(xiàn)下部進(jìn)汽多而上部進(jìn)汽少的特點(diǎn)，與軸向速度分布的趨勢一致。因此，從優(yōu)化目標(biāo)的角度看，對進(jìn)汽彎管與蝸殼的改進(jìn)主要是減小進(jìn)汽攻角與進(jìn)汽不均勻度。

圖16 不同徑向位置的汽流角周向分布

圖17 蝸殼與靜葉交接面上的進(jìn)汽不均勻度分布

基于遺傳算法的基本思想，每次保留對進(jìn)汽攻角和進(jìn)汽均勻度有利的幾何調(diào)整，淘汰對優(yōu)化目標(biāo)不利的幾何調(diào)整。經(jīng)過若干次幾何改進(jìn)，給出了優(yōu)化過程中產(chǎn)生的幾個典型彎管與蝸殼連接結(jié)構(gòu)，如圖18所示。相對于原始結(jié)構(gòu)，第一次優(yōu)化時(shí)將彎管改為接近垂直方向，但彎管與蝸殼連接面積減少；第二次優(yōu)化結(jié)構(gòu)OP2在不改變彎管出流角度的基礎(chǔ)上，增加了其與蝸殼連接處的出流面積；對于第三次優(yōu)化結(jié)構(gòu)OP3，既增大了彎管出流傾角，也增加了其出流面積。

圖18 優(yōu)化過程中的幾個典型結(jié)構(gòu)

優(yōu)化的目標(biāo)是改善靜葉進(jìn)口汽流攻角和進(jìn)汽均勻度。圖19給出了三種不同優(yōu)化結(jié)構(gòu)下蝸殼與靜葉交接面上的汽流角分布，通過對比最大和最小汽流角發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)滿足OP3>OP2>OP1的關(guān)系。與圖15中的原始結(jié)構(gòu)汽流角分布對比可知，圖19（a）中的汽流角的跨度更大，這說明減小彎管與蝸殼連接面積不利于組織汽流。從優(yōu)化結(jié)構(gòu)OP2和OP3得到的汽流角與原始結(jié)構(gòu)對比可知，增大彎管出流面積和傾角有利于縮小汽流角的跨度。圖20給出了三種不同優(yōu)化結(jié)構(gòu)下蝸殼與靜葉交接面上的不均勻度分布，對比發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)滿足OP3>OP1>OP2的關(guān)系。與原始結(jié)構(gòu)的進(jìn)汽不均勻度（見圖17）對比可知，三種優(yōu)化結(jié)構(gòu)均有較大的改善，也進(jìn)一步說明增大彎管出流面積和傾角有利于改善進(jìn)汽均勻度。將優(yōu)化結(jié)構(gòu)OP1和OP2得到的進(jìn)汽不均勻度對比而知，增大彎管傾角更有利于靜葉進(jìn)口汽流的均勻性。

圖19 三種不同優(yōu)化結(jié)構(gòu)下蝸殼與靜葉交接面上的汽流角分布

圖20 三種不同優(yōu)化結(jié)構(gòu)下蝸殼與靜葉交接面上的進(jìn)汽不均勻度分布

2.2 蒸汽閥對低壓進(jìn)汽結(jié)構(gòu)氣動性能的影響

在優(yōu)化的彎管和蝸殼結(jié)構(gòu)OP3的基礎(chǔ)上，研究了蒸汽閥的偏心度對低壓進(jìn)汽結(jié)構(gòu)氣動性能的影響。圖21給出了三種不同偏心度的蒸汽閥結(jié)構(gòu)， 其中（a）為閥芯所處位置的截面， （b）、 （c）和（d）分別為偏心度為0 mm、20 mm和40 mm的蒸汽閥結(jié)構(gòu)示意圖。不同的偏心度不僅會改變閥門喉口處的通流面積，還會改變閥芯的類圓柱繞流渦脫落頻率，對閥門的振動產(chǎn)生影響。對于后者的研究將會體現(xiàn)在后續(xù)的工作中，本文主要討論偏心度對蒸汽閥氣動性能的影響。

圖21 不同偏心度的蒸汽閥結(jié)構(gòu)

為了考查不同蒸汽閥偏心度對總壓損失的影響， 定義總壓損失系數(shù)為 φ＝1－Px／Pin， 其中 Pin為進(jìn)口質(zhì)量流量平均總壓，Px為指定截面位置 （圖1中P1、P2和P3）處的質(zhì)量流量平均總壓。圖22給出了不同截面位置總壓損失系數(shù)隨偏心度的變化，隨著偏心度的增大，總壓損失系數(shù)逐漸減小。從圖中還可以看出，不僅閥門會帶來一定的總壓損失，進(jìn)汽彎管和蝸殼也會產(chǎn)生總壓損失，但大部分總壓損失仍是蒸汽閥造成的。

圖22 不同截面位置總壓損失系數(shù)隨偏心度的變化

進(jìn)一步分析不同偏心度下蒸汽閥的氣動性能，圖23給出了不同偏心度下蒸汽閥內(nèi)的流線分布和速度云圖。隨著偏心度的增加，蒸汽閥中的最大速度和平均速度都相應(yīng)地減小。這是因?yàn)槠亩鹊脑龃笠矔黾恿魅腴y柱內(nèi)的通流面積。由圖可知，在偏心度為0 mm和20 mm的工況下，閥柱內(nèi)的流線呈螺旋線式，這會導(dǎo)致相同流量下流體與閥柱的摩擦損失增加。在偏心度為40 mm的工況下，閥柱內(nèi)的流線呈直線狀，有利于通流并減小了總壓損失。

圖23 不同偏心度下蒸汽閥內(nèi)的流線分布和速度云圖

3 結(jié)論

本文基于三維RANS方程數(shù)值研究了國內(nèi)某太陽能光熱發(fā)電汽輪機(jī)低壓進(jìn)汽結(jié)構(gòu)的氣動性能。在對原始低壓進(jìn)汽結(jié)構(gòu)通流分析的基礎(chǔ)上，對彎管與蝸殼進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，分析了優(yōu)化結(jié)構(gòu)改善汽流組織的機(jī)理；對比分析了不同偏心度的蒸汽閥結(jié)構(gòu)對低壓進(jìn)汽結(jié)構(gòu)的氣動性能的影響，獲得結(jié)論如下：

（1）結(jié)構(gòu)的對稱性決定了流場的對稱性，原始低壓進(jìn)汽結(jié)構(gòu)的靜葉進(jìn)汽角跨度很大，且最大值分布在蝸殼的左右兩側(cè)；

（2）增大進(jìn)汽彎管的出流面積和傾角有利于減小進(jìn)汽攻角和進(jìn)汽不均勻度，優(yōu)化的低壓進(jìn)汽結(jié)構(gòu)OP3很大程度上改善了葉柵通道進(jìn)汽的汽流組織；

（3）隨著偏心度的增加，閥芯與閥柱間的通流面積增大，有利于汽流在閥柱內(nèi)的通流并降低總壓損失。