汽輪機(jī)低壓通流區(qū)鼓風(fēng)態(tài)流場數(shù)值分析

宋文希，朱蓬勃，高慶，惠濤，余小兵，谷偉偉，張永海，居文平

(1．西安西熱節(jié)能技術(shù)有限公司，西安 710054； 2.西安熱工研究院有限公司，西安 710054；3.中國建筑西北設(shè)計研究院有限公司，西安 710018)

當(dāng)前，由于我國能源需求的增長和環(huán)境問題的凸現(xiàn)，可再生能源在我國能源結(jié)構(gòu)中所占比例亟待提高。近年來我國新能源的裝機(jī)容量增長迅猛，因此火電機(jī)組需要靈活深度調(diào)峰來解決電力系統(tǒng)中可再生能源的消納問題。這對調(diào)整火電機(jī)組的運行方式提出了新的挑戰(zhàn)。

在火電機(jī)組深度調(diào)峰過程中，隨著負(fù)荷率降低，機(jī)組進(jìn)汽流量也降低，這將導(dǎo)致火電汽輪機(jī)工作于小容積流量工況條件下。隨著進(jìn)汽流量的進(jìn)一步降低，汽輪機(jī)低壓通流區(qū)域的流動形態(tài)將發(fā)生改變，汽流將不再推動葉片做功，而會以惰性形態(tài)被動葉扇動排擠出葉片通道，這便是鼓風(fēng)現(xiàn)象。鼓風(fēng)摩擦現(xiàn)象會導(dǎo)致汽輪機(jī)葉柵通道局部出現(xiàn)高溫區(qū)域，嚴(yán)重時將使得內(nèi)缸受熱變形，影響動靜部件中心的一致性，進(jìn)而會威脅機(jī)組的安全運行。因此，了解小容積流量下汽輪機(jī)鼓風(fēng)態(tài)流場特性，對于完善機(jī)組安全系統(tǒng)設(shè)計體系有著十分重要的意義。目前在這一領(lǐng)域，諸多學(xué)者已開展了相關(guān)的研究工作[1-12]。

針對這一問題，本文以某典型蒸汽輪機(jī)低壓通流區(qū)域為計算模型，建立了低壓末級通流區(qū)域全5級流動分析計算模型，通過采用SST湍流模型求解三維RANS方程組，系統(tǒng)研究了低壓缸進(jìn)汽流量變化對汽輪機(jī)低壓通流區(qū)域流動鼓風(fēng)態(tài)流場特性的影響。通過研究，指出了鼓風(fēng)臨界流量以及鼓風(fēng)高溫發(fā)生的位置，以期為火電機(jī)組長期低負(fù)荷深度調(diào)峰運行提供理論支持及技術(shù)參考。

1 計算模型和數(shù)值方法

1.1 計算模型

圖1為計算模型的三維幾何結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為低壓通流全5級三維結(jié)構(gòu)示意圖。其中靜葉區(qū)域為靜止計算域，動葉區(qū)域為旋轉(zhuǎn)計算域。次末級動葉高度為492 mm，末級動葉高度為909 mm。

圖1 計算域幾何結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 低壓通流全5級三維結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 計算方法

本文采用商用軟件Numeca-Autogrid生成了流體計算域的三維計算模型和多塊結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。圖3給出了低壓通流區(qū)域的三維計算網(wǎng)格。所生成的計算網(wǎng)格最大長寬比小于30，正交角均在45°以上，具有很好的正交性。為滿足y+的要求，網(wǎng)格生成時在壁面進(jìn)行了網(wǎng)格加密，密封間隙沿徑向布置了30個節(jié)點，網(wǎng)格生成時O型貼體網(wǎng)格位于葉片表面，H型網(wǎng)格位于進(jìn)出口延伸段以及渦輪盤腔室內(nèi)，最終網(wǎng)格計算節(jié)點的數(shù)目達(dá)到了646萬。

圖3 低壓通流全5級計算網(wǎng)格

數(shù)值計算采用商用計算流體動力學(xué)軟件ANSYS-CFX求解RANS方程組，選取SSTk-ω湍流模型使得方程組封閉，對流項為高精度離散格式，計算工質(zhì)采用水蒸氣，計算中給定主流進(jìn)口的總溫總壓以及主流出口的平均靜壓，表1給出了邊界條件及計算方法。當(dāng)質(zhì)量方程、動量方程以及湍流方程組均方根殘差小于10-5時認(rèn)為計算收斂。

表1 數(shù)值計算邊界條件及方法

2 結(jié)果分析

2.1 通流區(qū)域子午面流場

圖4展示了進(jìn)汽流量為9.3～42.7 t/h時，低壓通流區(qū)域子午面溫度分布云圖。圖中反映的物理現(xiàn)象有：隨著進(jìn)汽流量的減小，低壓缸通流區(qū)域出現(xiàn)明顯的鼓風(fēng)溫升現(xiàn)象，鼓風(fēng)高溫區(qū)位于末級靜葉尾緣與末級動葉前緣靠近葉頂?shù)膮^(qū)域；隨著流量的增加，鼓風(fēng)溫升效應(yīng)會減弱，當(dāng)進(jìn)汽量超過29.8 t/h時，鼓風(fēng)高溫區(qū)域基本消失。從9.3 t/h流量工況還可以看出，在該流量下次末級后也出現(xiàn)了較明顯的高溫區(qū)，即次末級也發(fā)生了鼓風(fēng)現(xiàn)象，同時可看出該流量下葉頂高溫區(qū)的溫度最高達(dá)到500 K。隨著進(jìn)汽流量的增加，次末級動葉后的高溫區(qū)域也會逐漸消失。

(a) 進(jìn)汽流量8.2 t/h (b) 進(jìn)汽流量13.4 t/h

(c) 進(jìn)汽流量16.9 t/h (d) 進(jìn)汽流量21.3 t/h

(e) 進(jìn)汽流量24.9 t/h (f) 進(jìn)汽流量28.5 t/h

(g) 進(jìn)汽流量35.6 t/h (h) 進(jìn)汽流量42.7 t/h

圖5給出了不同進(jìn)汽流量工況下，低壓通流區(qū)域子午面流場分布。從進(jìn)汽流量為8.2 t/h工況中可以看出小容積流量下在低壓缸第1級及第2級處氣體流動整體還算均勻，在第3級靜葉葉根部進(jìn)口處氣體出現(xiàn)流動分離現(xiàn)象，根部出現(xiàn)回流。在次末級后出現(xiàn)了明顯的回流渦系，渦核位置位于通道中心，且回流區(qū)范圍極大。同時在葉頂動靜葉中間區(qū)域也出現(xiàn)了明顯的漩渦結(jié)構(gòu)，漩渦能量的停滯耗散將導(dǎo)致高溫區(qū)的出現(xiàn)。通過對比不同進(jìn)汽流量時低壓缸整缸通流區(qū)域流場結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，隨著進(jìn)汽流量的增加，在次末級后出現(xiàn)的回流渦系影響范圍逐漸減小，渦核位置逐漸降低。末級葉頂處的漩渦結(jié)構(gòu)也逐漸消失。這印證了鼓風(fēng)效應(yīng)的弱化。

(a) 進(jìn)汽流量8.2 t/h (b) 進(jìn)汽流量13.4 t/h

(c) 進(jìn)汽流量16.9 t/h (d) 進(jìn)汽流量21.3 t/h

(e) 進(jìn)汽流量24.9 t/h (f) 進(jìn)汽流量28.5 t/h

(g) 進(jìn)汽流量35.6 t/h (h) 進(jìn)汽流量42.7 t/h

圖5 不同進(jìn)汽流量低壓通流區(qū)子午面流場分布

2.2 葉柵通道內(nèi)流場分布

圖6對比了10%葉高處進(jìn)汽流量為8.2～317.6 t/h時通道內(nèi)的壓力場。可以看出，小容積流量工況下汽流以負(fù)攻角流動進(jìn)入葉柵通道，撞擊動葉吸力面前緣，引起壓力升高，而隨著流量的增加，流動特性改善，負(fù)攻角消失。圖7對比了10%葉高處進(jìn)汽流量為8.2～317.6 t/h時葉柵通道內(nèi)速度矢量分布。從圖7中可以看出，小容積流量工況下，由于受到鼓風(fēng)現(xiàn)象的影響，靜葉通道內(nèi)出口壓力高于進(jìn)口壓力，因此出現(xiàn)明顯的逆流現(xiàn)象。而隨著流量增加至28.5 t/h，逆流現(xiàn)象消失，但靜葉通道內(nèi)汽流的流動特性依舊較差。

(a) 進(jìn)汽流量8.2 t/h (b) 進(jìn)汽流量16.9 t/h

(c) 進(jìn)汽流量21.3 t/h (d) 進(jìn)汽流量28.5 t/h

(e) 進(jìn)汽流量158.8 t/h (f) 進(jìn)汽流量317.6 t/h

(a) 進(jìn)汽流量8.2 t/h (b) 進(jìn)汽流量16.9 t/h

(c) 進(jìn)汽流量21.3 t/h (d) 進(jìn)汽流量28.5 t/h

圖8對比了90%葉高處進(jìn)汽流量為8.2～317.6 t/h時葉柵通道內(nèi)速度矢量分布。如圖8所示，在靜葉通道上部區(qū)域壓力面?zhèn)瘸霈F(xiàn)了明顯的回流渦系，這是流動負(fù)攻角引起的。在小容積流量9.3 t/h工況下，動靜部件間區(qū)域出現(xiàn)了高速流動區(qū)。圖5計算結(jié)果顯示，在鼓風(fēng)工況下靠近葉頂動靜部件之間區(qū)域產(chǎn)生了明顯回流渦，因此汽流會在通道內(nèi)形成高速流動區(qū)。隨著流量增加，靠近葉頂動靜部件之間區(qū)域產(chǎn)生回流渦的范圍減小，因此通道內(nèi)的高速流動區(qū)也隨之消失。當(dāng)流量進(jìn)一步增加，靜葉通道內(nèi)的汽流變得更加均勻，噴管效率提高，但動葉出口速度也隨之增加，余速損失增加。圖9對比了90%葉高處進(jìn)汽流量為8.2～317.6 t/h時通道內(nèi)的溫度分布。如圖9所示，在葉頂區(qū)域，當(dāng)進(jìn)汽流量較小時，動靜葉間由于漩渦的耗散將形成高溫區(qū)，隨著進(jìn)汽流量的增加，漩渦結(jié)構(gòu)尺寸將減小，高溫區(qū)逐漸消失。

(a) 進(jìn)汽流量8.2 t/h (b) 進(jìn)汽流量16.9 t/h

(c) 進(jìn)汽流量21.3 t/h (d) 進(jìn)汽流量28.5 t/h

(e) 進(jìn)汽流量158.8 t/h (f) 進(jìn)汽流量317.6 t/h

(a) 進(jìn)汽流量8.2 t/h (b) 進(jìn)汽流量16.9 t/h

(c) 進(jìn)汽流量21.3 t/h (d) 進(jìn)汽流量28.5 t/h

(e) 進(jìn)汽流量158.8 t/h (f) 進(jìn)汽流量317.6 t/h

2.3 通流區(qū)域壓力及溫度分布

圖10定量地給出了進(jìn)汽流量為8.2～317.6 t/h時低壓流動區(qū)域進(jìn)口到出口的壓力分布，壓力值為周向平均結(jié)果。圖10中壓力分布總體呈現(xiàn)出階梯狀分布，這是汽流通過靜葉或者動葉后能量轉(zhuǎn)化導(dǎo)致的。從圖10中可以明顯看出，小容積流量下在末級及次末級處將出現(xiàn)級前壓力低于級后壓力的現(xiàn)象，這是葉片形成鼓風(fēng)的重要表現(xiàn)。當(dāng)流量增加至28.5 t/h時，逆壓現(xiàn)象消失，壓力分布恢復(fù)階梯狀分布形式。圖11給出了進(jìn)汽流量為8.2～317.6 t/h時低壓流動區(qū)域進(jìn)口到出口的溫度分布?？梢郧宄乜吹剑蛪焊讍芜呥M(jìn)汽流量為8.2t/h時，受鼓風(fēng)影響，出口區(qū)域溫度明顯升高，溫度分布呈現(xiàn)出“V”形。隨著進(jìn)汽流量的增加，溫度分布恢復(fù)為階梯狀分布。

(a)進(jìn)汽流量8.2 t/h (b)進(jìn)汽流量13.4 t/h

(c)進(jìn)汽流量16.9 t/h (d)進(jìn)汽流量28.5 t/h

(e)進(jìn)汽流量158.8 t/h (f)進(jìn)汽流量317.6 t/h

(a)進(jìn)汽流量8.2 t/h (b)進(jìn)汽流量13.4 t/h

(c)進(jìn)汽流量16.9 t/h (d)進(jìn)汽流量28.5 t/h

(e)進(jìn)汽流量158.8 t/h (f)進(jìn)汽流量317.6 t/h

圖12給出了進(jìn)汽流量為8.2～317.6 t/h時，10%葉高處末級動葉表面的壓力分布。由于汽流負(fù)攻角沖擊，在葉片前緣約10%軸向弦長吸力面處呈現(xiàn)出壓力凸起區(qū)，該區(qū)域吸力面壓力高于壓力面壓力。從圖12中可以看出小容積流量下，葉片壓力面壓力值與吸力面壓力值基本相當(dāng)，無壓差，這說明了該流量工況下汽流無法推動葉片做功。這是鼓風(fēng)現(xiàn)象的又一重要表征?？梢钥闯霎?dāng)流量增加至 28.5 t/h時，壓差出現(xiàn)，這也側(cè)面印證了該流量為鼓風(fēng)臨界流量。當(dāng)流量繼續(xù)增加，同一軸向弦長位置壓力面和吸力面壓力值將出現(xiàn)明顯差值，橫向壓差的出現(xiàn)表明動葉片恢復(fù)了正常的做功能力。

(a)進(jìn)汽流量8.2 t/h (b)進(jìn)汽流量13.4 t/h

(c)進(jìn)汽流量16.9 t/h (d)進(jìn)汽流量28.5 t/h

(e)進(jìn)汽流量158.8 t/h (f)進(jìn)汽流量317.6 t/h

3 結(jié) 論

本文以某典型蒸汽輪機(jī)低壓通流區(qū)域為計算模型，建立了低壓末級通流區(qū)域全5級流動分析計算模型，通過采用SST湍流模型求解三維RANS方程組，采用數(shù)值方法研究了低壓缸進(jìn)汽流量變化對汽輪機(jī)低壓通流區(qū)域流動鼓風(fēng)態(tài)流場特性的影響規(guī)律，得到了以下結(jié)論：

1)通過對低壓通流區(qū)域5級通流級進(jìn)行分析計算發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)蛪焊讍芜呥M(jìn)汽流量減小至29.8 t/h (8.9%THA進(jìn)汽流量)時，末級出現(xiàn)較為明顯的鼓風(fēng)態(tài)流動現(xiàn)象。隨著流量的減小，鼓風(fēng)現(xiàn)象愈加明顯。鼓風(fēng)溫度最高的區(qū)域位于末級靜葉與動葉之間。

2)在靜葉通道上部區(qū)域的壓力面?zhèn)瘸霈F(xiàn)了明顯的回流渦系，這是負(fù)攻角流動現(xiàn)象引起的。在小容積流量工況下，動靜部件間區(qū)域會出現(xiàn)高速流動區(qū)。速度矢量計算結(jié)果顯示，在鼓風(fēng)工況下靠近葉頂動靜部件之間的區(qū)域會產(chǎn)生明顯回流渦，會在通道內(nèi)形成高速流動區(qū)。隨著流量增加，靠近葉頂動靜部件之間的區(qū)域產(chǎn)生回流渦的范圍減小，因此通道內(nèi)的高速流動區(qū)也隨之消失。

3)在末級動葉表面，由于汽流負(fù)攻角沖擊，在葉片前緣約10%軸向弦長吸力面處呈現(xiàn)出壓力凸起區(qū)，在該區(qū)域吸力面壓力高于壓力面壓力。且小容積流量下，葉片壓力面壓力值與吸力面壓力值基本相當(dāng)，無壓差，這說明了該流量工況下汽流無法推動葉片做功。這是鼓風(fēng)現(xiàn)象的又一重要表征。