高背压大流量空冷汽轮机低压级组叶片设计及优化

第4L卷第1期2012年3月VO141NO1MAR2012高背压大流量空冷汽轮机低压级组叶片设计及优化丁晨，隋永枫，辛小鹏，丁旭东，张春梅，刘象拯，1杭州汽轮机股份有限公司工业透平研究院，杭州310022；2浙江省工业汽轮机转子动力学研究重点实验室，杭州311XE2；3杭州汽轮动力集团中央研究院博士后科研工作站，杭州310022摘要开发出一套基于一维热力设计、准三维设计分析和优化、全三维流场分析以及叶片结构设计、强度、振动分析的开发体系。通过以空冷低压级组为实例进行设计，结果表明通过该设计开发体系，能够方便可靠地进行汽轮机通流和结构的设计和优化，这对汽轮机设计和改型具有很好的实用意义。关键词空冷汽轮机；低压级组；高背压；大流量；扭叶片中图分类号TK2633文献标识码A文章编号16725549L2O12OL一003104DESIGNANDOPTIMIZATIONFORLPSTAGEBLADEOFLARGESTEAMTURBINESUNDERHIGHBACKPRESSUREDCHEN，SUIYONGFENG，XINXIAOPENG，DINGXU一，CHUNMEI，LIUXIANGZHENG1INDUSTRIALTURBINEACADEMYTURBOMECHANICALINSTITUTE，HANGZHOUSTEAMTURBINECO，LTD，HANGZHOU310022，CHINA；2ZHEJIANGINDUSTRIALSTEAMTURBINEROTORDYNAMICSRESEARCHKEYLABORATORY，HANGZHOU310022，CHINA；3POSTDOCTORWORKINGSTATION，HANGZHOUTURBINEPOWER，HANGZHOU310022，CHINAABSTRACTADEVELOPMENTSYSTEMISPRESENTEDBASEDONONEDIMENSIONALTHERMALDESIGN，QUASITHREEDIMENSIONALDESIGNANALYSISANDOPTIMIZATION，FULLTHREEDIMENSIONALCFDANALYSISANDBLADEDESIGN，STRENGTHANDVIBRATIONANALYSISWITHTHEAIDOFAIRCOOLEDLOWPRESSURESTAGETURBINEDESIGN，THETURBINECANBEEASILYANDRELIABLYDESIGNEDANDOPTIMIZEDBYMEANSOFTHEDEVELOPMENTSYSTEM，WHICHSHOWSAGOODPRACTICALSENSEFORTURBINEDESIGNANDDEVELOPMENTKEYWORDSAIRCOOLEDSTEAMTURBINE；LOWPRESSURESTAGE；HIGHBACKPRESSURE；LARGEFLOW；TWISTEDBLADE高背压大流量空冷汽轮机在国内电力行业和工业驱动行业的需求量不断增加，其高效设计逐渐凸显其重要性J。空冷机组是一种典型的变工况运行机组，相对于水冷机组，由于空冷机组的设计背压高且背压变化范围大，大气环境温度变化可能会使末级叶片在阻塞工况或鼓风工况下运行，无论在低背压、阻塞工况还是在高背压、鼓风情况下，低压级组叶片特别是末级叶片的工作条件都十分恶劣。因此，低压级组末级叶片成了设计中的关键环节2J。对于大流量高背压空冷机组而言，其末级叶片高度相对较高，全三维设计的扭叶片是其高效率的关键。合理的叶片高度和排汽面积能够使整个机组具有较高的经济性和安全可靠性J。这就要求对通流各个参数进行详细的分析和优化，这部分包括一维和二维的热力设计方法以及相关损失模型的选取等问题。进一步结合CFX和ANSYS等三维分析软件，更准确地给出通流内部的流动情况，并进行三维气动优化，同时进行强度、振动以及流固耦合分析，来评判通流叶片的整体可靠性J。这样就建立了一套从热力、气动到强度的完整的通流开发和分析流程，这对于整个汽轮机通流设计和开发具有很重要的实用价值。1叶片设计及优化开发体系对于通流部分，本体系应用一维热力计算进收稿日期20110701修订日期20111230基金项目浙江省科学技术厅优先主题重大工业项目100MW等级超大型工业汽轮机系列技术开发与应用2008C01053作者简介丁晨1955一，男，浙江杭州人，高级工程师，副总工程师，总经理助理，从事汽轮机设计开发和管理等工作。隋永枫1978一，男，黑龙江鹤岗人，博士后，高级工程师，主任设计师，从事叶片设计、三维流场气动和强度分析、汽轮机转子动力学等研究。LLLL第1期高背压大流量空冷汽轮机低压级组叶片设计及优化行级组的初始设计，对于高压级组和大多数的中压级组，通常一维设计就能够给出足够精确的结果，这里建议只需应用一维计算即可。而对于低压级组部分，需要作进一步的设计和优化。本文部分采用商用软件AXSTREAM对低压级组进行一、二维热力设计和优化，实现准三维设计、分析和优化，并对各级叶片进行造型设计，再应用商用软件CFX进行气动校核计算，之后对叶片进行结构设计及优化。对于结构设计部分，首先根据已设计好的叶身轮廓，进行叶片其他部位的设计，如叶根、叶冠以及各种阻尼形式的设计。对于直叶片，可进行叶根等部位的规格化、系列化，并作选型设计；对于长叶片，除叶根形式等设计外，还需要进行阻尼结构的设计。最后应用商用软件ANSYS对各级叶片进行强度和振动分析。具体开发体系流程图见图1J。可参考已有机型级组原始气动数据，如进口角、出口角、叶片安装角、叶片数目等，或可凭经验自行设计一维热力方案计算固IS1、S2流面设计二二IS1、S2流面优化L二工二二I准三维计算I二二二准三维扭转因子优化二二F叶栅几何造型F叶栅三维型面光顺囤格不满足叶片安全准则囿全三维流场分析二二全三维流场优化结构设计，选择叶根、围带和阻尼拉金形式强度、振动分析二二流固耦合分析判断叶片的有效性和可靠性图1叶片设计及优化开发体系流程图本文所述的开发体系将杭州汽轮机股份有限公司已有的叶型库和经验与AXSTREAM、CFX、ANSYS和NUMECA等商用软件很好地结合起来，不仅可以方便地进行一维、二维、准三维的设计和优化、结构设计和优化，还可以方便地进行三维气动分析、强度振动分析和流固耦合分析。这就构成了一个完整的叶片通流设计、优化、分析、校核体系。囡IIII2开发流程实例介绍这里以杭州汽轮机股份有限公司某低压叶片级组的开发为例，对本文的设计开发体系进行详细说明。在该开发中，基于可靠性和实用性的考虑，选择了我公司已成功运行的某低压叶片级组为设计母型，对母型级组进行一维热力分析和多流线分析，得到该级组的整体特性。图2为其流线图；图3给出了进、出口压力的变工况特性曲线图，由该图可知，此母型低压机组具有较高的效率和较好的变工况特性。N8754793030KW图2某母型低压机组S2流面图09OO85褂080鎏O75070O650U00U5010015进口压力MPA图3某母型总静效率与进、出IL压力特性曲线图21准三维低压级组快速设计首先将母型级组模化为与所设计参数相近的级组，然后通过对流型进行优化，以确定子午面形状；再对叶栅进行优化，设计出满足要求的低压级组。图4给出了应用该方法设计出的低压机组N23O68694469KW图4某低压机组S2流面图高背压大流量空冷汽轮机低压级组叶片设计及优化热力透平的S2流面流线图，流型均匀，流量分配合理。对静叶和动叶的优化如图5和6所示，通过优化，找到最合适的扭转规律。反动度分布如图7所示，其末级反动度从叶根到叶顶为033TWISTFACTARBLADESTATORAXIAL一32，一图5末二级静叶扭转因子优化过程图需04OO051O相对叶高图7末级叶片反动度沿叶高分布22全三维流场计算为了更好地确定该级组详细的气动性能，应用商用软件CFX对该级组进行全三维流场计算；图9给出了该低压级组的流道图，图L0给出了该瓣较艋074，能够满足空冷级组大区间的变工况需要。级组总静效率与进、出口压力变工况曲线如图8所示，从结果可见，该级组具有较好的气动性能。O8OEIF_TTTUBINEAT，一EFF_TTTURBINEAT，一TWISTFACTORBLADEROTORAXIAL。63图6末级动叶扭转因子优化过程图U05O10【J15进口压力MPA图8级组总静效率与进、出口压力变工况曲线图低压级组流道网格图，图11给出了该低压级组流量效率变工况曲线图，图L2给出了该低压级组流量轴向推力变工况曲线图，从各特性曲线图可以看出，该级组设计满足了设计要求。图9某低压级组流道图图LO某低压级组流道网格图MILL圈6532O98653叭第1期高背压大流量空冷汽轮机低压级组叶片设计及优化堡O瓣辏耄006O2O406O8O1OO质量流量THPOO15MPA图11某低压级组流量效率变工况曲线图23结构设计和强度振动分析下图是以上设计级组的末级动叶片和各叶片的配合图，图13给出了该低压级组9只末级叶片的正视图，图L4给出了该低压级组9只末级叶片的俯视图。该级组叶根采用枞树型叶根，叶身采用凸台围带结构，这种结构可以使各自由叶片很图13某低压级组9只末级叶片的正视图3结论本文旨在建立一整套通流开发体系，它包含通流的快速设计和优化、全三维的精确分析和优化、叶片结构设计和优化，以及叶片强度和振动分析等方面的内容。针对某低压级组，特别是末级叶片的开发，本文具体介绍了开发体系中各个模块的实施方法和细节，实际算例证明了本开发体系在通流开发中的可靠性和实用性，在以后的应用中将会发挥越来越重要的作用。参考文献1任贵龙，李宇峰，樊庆林，等940MM长叶片在大型空冷汽轮机上的应用J汽轮机技术，2010，5231731762乜庆海，袁吉斌空冷机组末级叶片的初步研究与分析J汽轮机技术，2004，4664344363蔡颐年蒸汽轮机M西安西安交通大学出版社，2007曩11111120O15OZL00暴5OO0L00200300400质量流量THP2OO15MPA图12某低压级组流量轴向推力变工况曲线图好地成组，大大降低了叶片的动应力，使得该叶片组能够承受更大的质量流量。经过整圈计算，可获得该末级叶片的应力和凸台、围带的接触应力，其中叶身应力均在350MPA以下，各接触单元的接触压力大多在9O150MPA以内，既满足了成组接触力的要求，又很好地满足了强度的要求。图14某低压级组9只末级叶片的俯视图4SUMIONODA，SATORUZENITANI，YOSHIKAZUYAMADA，ETA1IMPROVEDTECHNOLOGIESOFSTEAMTURBINEFORTERMCONTINUOUSORATIONJMITSUBISHIHEAVYINDUSTRIES，LTD，TECHNICALREVIEW，2004，413L一55JDDENTONANDLXUTHEEXPLOITATIONOFTHREEDIMENSIONALFLOWTURBOMACHINCRYDESIGNJ。UM01OFMECHANICALENGINEERINGSCIENCE，1998，21321251376AXSTREAMUSERMANUALZAXIALTURBINECONCEPTUAL加RE20107蒋洪德，蔡瑞贤，刘建军，等国产优化300600MW汽轮机通流部分气动设计J工程热物理学报，1994，1521531578朱家驹，苏正华，王韩威引进技术600MW、300MW汽轮机的国产化和通流部分的优化