工業(yè)汽輪機調(diào)節(jié)級動葉氣動性能優(yōu)化與應(yīng)用

藍吉兵, 孔建強, 隋永楓, 丁旭東, 陳金銓，毛漢忠

(1. 杭州汽輪機股份有限公司,杭州 310022; 2. 杭州汽輪動力集團,杭州 310022)

世界范圍內(nèi)的汽輪機廠家和科研院所對提高汽輪機葉片的效率投入了大量研發(fā)力量[1-7]。ABB公司汽輪機的葉型從代號為200的葉型經(jīng)過5代葉型的不斷優(yōu)化，演變?yōu)榇?000的葉型，效率明顯提高。GE公司汽輪機葉型由傳統(tǒng)葉型經(jīng)歷5次優(yōu)化，演變?yōu)槌壢~型(super profile)。除了優(yōu)化葉型以外，采用彎扭掠聯(lián)合成型和端壁造型都可使汽輪機葉片的效率有不同程度的提升。西門子公司的汽輪機采用彎扭葉片技術(shù)以后，汽輪機級的效率提升可以達到2%[4]。三菱公司對軸對稱端壁葉片和非軸對稱端壁造型后的葉片進行了數(shù)值分析，同時在低速葉柵試驗臺上進行試驗測試對比，結(jié)果表明采用非軸對稱端壁造型以后，葉片在5%～20%葉高的葉型效率有較大提高[5]。

工業(yè)汽輪機一般采用噴嘴調(diào)節(jié)方式。處于高溫高壓條件下的調(diào)節(jié)級蒸汽容積流量小，葉片展弦比小，這使得調(diào)節(jié)級葉片的效率很低，調(diào)節(jié)級負荷往往很大。因而調(diào)節(jié)級效率的高低對整機效率的影響很大，提高調(diào)節(jié)級的效率對汽輪機整機效率的提高意義重大。文獻[8-9]開展了調(diào)節(jié)級葉片的優(yōu)化設(shè)計和實驗研究。

為了提高工業(yè)汽輪機的熱經(jīng)濟性，增強產(chǎn)品市場競爭力，本文開展了工業(yè)汽輪機大負荷調(diào)節(jié)級葉型的優(yōu)化工作，希望研發(fā)出新一代高效大負荷調(diào)節(jié)級葉型。

1 優(yōu)化方法及優(yōu)化要求

本文采用三維計算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，CFD)方法和現(xiàn)代優(yōu)化理論相結(jié)合的方法開展汽輪機葉型的氣動優(yōu)化，采用自編專用程序和商用CFD軟件共同實現(xiàn)葉型氣動性能優(yōu)化[11]。傳統(tǒng)的三維葉型優(yōu)化方法由三個部分組成：(1)已有葉型的參數(shù)化；(2)單列汽輪機葉柵、汽輪機級或多級汽輪機氣動性能計算；(3)汽輪機葉柵氣動性能函數(shù)的最優(yōu)化。已有葉型的參數(shù)化是葉型優(yōu)化的基礎(chǔ)，為葉型優(yōu)化確定了變量空間，給定了葉型優(yōu)化中變量的數(shù)量、約束的種類和個數(shù)。計算機技術(shù)和數(shù)值計算方法的進步，使采用三維計算流體力學(xué)方法對汽輪機級或多級汽輪機，甚至是對整個汽輪機進行數(shù)值計算來獲得氣動性能成為可能。氣動性能函數(shù)采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)方法，優(yōu)化算法采用遺傳算法(GA)。本文優(yōu)化方法的創(chuàng)新和優(yōu)點是優(yōu)化過程中引入了大量工業(yè)汽輪機設(shè)計、運行數(shù)據(jù)，通過已有設(shè)計數(shù)據(jù)和運行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，獲取了氣動、幾何、強度、工藝和工況約束范圍，如圖1所示。

圖1 三維葉柵氣動優(yōu)化設(shè)計模型

由于被驅(qū)動機負荷的變化，工業(yè)汽輪機存在顯著的變工況特性，包括氣動參數(shù)變化、轉(zhuǎn)速的變化、負荷變化等，這就要求優(yōu)化的葉型不僅在設(shè)計工況下具有良好的氣動性能，還要求優(yōu)化獲得的葉型具有優(yōu)良的變工況特性。同時考慮到管理和加工成本，葉型需要有很強的適應(yīng)性。以進汽角、出口馬赫數(shù)和展弦比為例，圖2給出了調(diào)節(jié)級動葉進汽角的統(tǒng)計結(jié)果(將壓力系數(shù)無量綱參數(shù)0.25以上的調(diào)節(jié)級定義為大負荷調(diào)節(jié)級)，可見進汽角和調(diào)節(jié)級載荷都在很廣泛的范圍內(nèi)變化，這顯示了工業(yè)汽輪機變工況范圍的分布非常寬。圖3給出了調(diào)節(jié)級動葉出口馬赫數(shù)無量綱參數(shù)的分布情況，可見馬赫數(shù)也在很廣的范圍內(nèi)變化。這些參數(shù)的分析為進一步的優(yōu)化提供了輸入?yún)?shù)和約束條件。

為了驗證所采用的數(shù)值方法的準確性，對某40 mm葉高透平級的氣動性能進行了數(shù)值分析，文獻[10]給出了該透平級的詳細參數(shù)。圖4給出了該透平級試驗測試效率和數(shù)值計算效率的對比曲線，可見在u/C0(速比)廣泛的變化范圍內(nèi)，二者均吻合良好，最大偏差為0.8%，這驗證了本文所采用的數(shù)值方法的準確性。

圖2 動葉進汽角分布

圖3 動葉出口馬赫數(shù)變化

圖4 數(shù)值方法驗證

2 調(diào)節(jié)級動葉高效葉型優(yōu)化

基于杭州汽輪機有限公司工業(yè)汽輪機調(diào)節(jié)級葉片的實際使用情況，結(jié)合葉柵優(yōu)化體系，確定了大負荷調(diào)節(jié)級動葉葉型的優(yōu)化方向、輸入?yún)?shù)(雷諾數(shù)、馬赫數(shù)、汽流角等)和優(yōu)化策略。在葉柵參數(shù)處理模塊中，對葉柵進行參數(shù)化，其中在壓力面參數(shù)化貝塞爾曲線上設(shè)置4個控制點，吸力面參數(shù)化貝塞爾曲線上設(shè)置5個控制點，控制點坐標(biāo)參數(shù)變化范圍設(shè)置為參考值的±20%，安裝角變化范圍設(shè)置為參考值的±5°，流量變化范圍約束在參考值的±1%以內(nèi)。考慮強度因素，葉型的最大厚度和最大慣性矩不小于參考值的25%。設(shè)置了額外的約束，以考慮葉片加工工藝性對葉型的特殊要求。數(shù)據(jù)庫樣本空間設(shè)置為225，優(yōu)化迭代步數(shù)為40步。

經(jīng)過多輪優(yōu)化，調(diào)整約束數(shù)值和變量空間，最終優(yōu)化得到兩個候選葉型A3_opt和A5_opt。A3_opt葉型相比原始葉型，轉(zhuǎn)折角增大了13.63°，最大葉型厚度減小了7.3%；A5_opt葉型相比原始葉型，轉(zhuǎn)折角增大了6.95°，最大葉型厚度減小了1.3%。A3_opt適用于具有特大汽流轉(zhuǎn)折角(特大負荷)的情況，而A5_opt適用于較大汽流轉(zhuǎn)折角(較大負荷)的情況。

圖5分別給出了A3_opt葉型安裝角為79°和82°時，相對于原始葉型的效率增益。進汽角小于36°時，兩個安裝角情況下效率都有提高，特別是在20°～25°范圍內(nèi)，效率提高范圍為1.5%～6.6%，效果非常明顯，且安裝角79°時效率提高更多。圖6分別給出了A5_opt葉型在安裝角為81°和83°時，相對于原始葉型的效率增益。進汽角小于40°時，兩個安裝角情況下效率都有提高，特別是在20°～25°范圍內(nèi)，效率提高范圍為2.0%～8%，效果非常明顯，且安裝角為81°時效率提高更多。需要指出的是，A3_opt和A5_opt兩種葉型的強度振動特性各不相同，適用的范圍也不一樣，可以根據(jù)設(shè)計時的實際需要選擇特定葉型。

圖5 A3_opt葉型效率增益

圖6 A5_opt葉型效率增益

3 實例應(yīng)用

以某工業(yè)汽輪機調(diào)節(jié)級為例，進行了高效大負荷調(diào)節(jié)級葉型的實例應(yīng)用，將原始的調(diào)節(jié)級葉型替換為優(yōu)化葉型A3_opt。表1給出了不同負荷時調(diào)節(jié)級的邊界條件。圖7給出了不同負荷時，使用優(yōu)化葉型的調(diào)節(jié)級相對原始葉型調(diào)節(jié)級的效率增益曲線，可見優(yōu)化獲得的大負荷調(diào)節(jié)級動葉葉型在廣泛的變工況范圍內(nèi)效率均有提高，提高范圍為1.1%～5.5%，且隨著調(diào)節(jié)級負荷的增加，調(diào)節(jié)級效率增益不斷提高，但調(diào)節(jié)級負荷增大到一定程度后，隨著調(diào)節(jié)級負荷的進一步增大，效率增益開始緩慢降低。

表1 不同負荷邊界條件

圖7 不同負荷時調(diào)節(jié)級效率增益

采用本文的優(yōu)化方法和優(yōu)化策略得出了高效大負荷調(diào)節(jié)級動葉型線，其葉片實例應(yīng)用結(jié)果表明，調(diào)節(jié)級氣動性能相比于原始葉型有明顯提高。

4 結(jié) 論

本文采用全三維CFD方法，結(jié)合現(xiàn)代優(yōu)化理論(ANN方法、GA)對工業(yè)汽輪機大負荷調(diào)節(jié)級動葉型線進行了氣動性能優(yōu)化的工作。結(jié)合杭州汽輪機股份有限公司汽輪機產(chǎn)品的實際情況，確定了型線優(yōu)化的輸入?yún)?shù)、約束和優(yōu)化策略，優(yōu)化獲得了兩種候選高效葉型——A3_opt和A5_opt，可根據(jù)強度、氣動性能等綜合條件選擇葉型使用。以某工業(yè)汽輪機調(diào)節(jié)級為例，進行了高效大負荷調(diào)節(jié)級葉型的實例應(yīng)用，將原始的調(diào)節(jié)級葉型替換為優(yōu)化葉型A3_opt，結(jié)果顯示優(yōu)化葉型的效率在廣泛的負荷變化范圍內(nèi)均有提高，提高范圍為1.1%～5.5%，且隨著調(diào)節(jié)級負荷的增加，調(diào)節(jié)級效率增益不斷提高。但調(diào)節(jié)級負荷增大到一定程度后，隨著調(diào)節(jié)級負荷的進一步增大，效率增益稍微降低。應(yīng)用實例表明，本文的優(yōu)化方法、優(yōu)化策略和優(yōu)化獲得的大負荷調(diào)節(jié)級動葉葉型是成功的。