660MW汽轮机低压排汽缸联合末级整圈叶片气动性能研究

第40卷第2期2011年6月热力透平THERMALTUABINE660MW汽轮机低压排汽缸联合末级整圈叶片气动性能研究王科军，杨锐，史立群，杨建道上海电气电站设备有限公司上海汽轮机厂，上海200240摘要为了减少汽轮机低压端排汽余迭损失，设计具有较大压力回收能力的低压排汽缸对整个机组的效率提升具有非常重要的意义。对660MW的汽轮机低压缸进行了CFD数值模拟，考虑到低压缸流动具有不对称性、强三维流动的特点，选择末级整圈叶片和低压排汽缸一起作为研究对象，研究结果表明该低压缸具有较好的气动性能，能有效地将末级余速损失转化为压力能回收。关键词660MW汽轮机；排汽损失；数值模拟中图分类号TK2633一文献标识码A文章编号16725549201102007503RESERCHOFAERODYNAMICPERFORMANCEFORLASTSTAGEENTIRECIRCLEBLADESOFSTEAMTURBINELPCYLINDERWANGKEJUN，YANGRUI，SHILIQUN，YANGJIANDAOSHANGHAIELECTRICPOWERGENERATIONEQUIPMENTCO，LTDSHANGHAITURBINEPLANT，SHANGHAI200240，CHINAABSTRACTINORDERTOREDUCETHELEAVINGVELOCITYLOSSOFSTEAMTURBINELPEXHAUST，ITISOFGREATSIGNIFICANCETODESIGNLPCYLINDERWITHAGREATERPRESSURERECYCLINGABILITYSOASTOPROMOTETHEENTIREUNITSEFFICIENCYTHISARTICLEHASSHOWEDTHECFDNUMERICALSIMULATIONTOTHE660MWSTEAMTURBINELPCYLINDERDURINGTHENUMERICALSIMULATION，THEFLOWINGDISSYMMETRYOFLPCYLINDERANDTHESTRONGTHREEDIMENSIONALFLOWCHARACTERISTICWERETAKENINTOACCOUNTANDMEANWHILE，THEENTIRECIRCLELASTSTAGEBLADEANDLPCYLINDERWERESELECTEDASRESEARCHOBJECTIVETHEFINDINGSINDICATEDTHATTHISLPCYLINDERHASGOODAERODYNAMICPERFORMANCE，ANDITCANEFFECTIVELYTRANSFORMTHELASTSTAGELEAVINGVELOCITYLOSSASTHEPRESSUREENERGYRECYCLINGKEYWORDS660MWSTEAMTURBINE；EXHAUSTLEAVINGVELOCITYLOSS；NUMERICALSIMULATION汽轮机中，低压排汽缸系统连接着末级叶片和凝汽器，主要由扩压器、排汽蜗壳和起支撑作用的筋板和撑管组成。扩压器和排汽蜗壳通常为轴向进汽单侧排汽形式。在实际运行工况下，汽轮机末级出口流场具有强烈的预旋和不均匀的压力分布，这样的流场结构影响排汽缸的气动性能；同时非轴对称的排汽缸也会在汽轮机出口位置产生不均匀的压力场，影响汽轮机末级叶栅内的蒸汽流动。因此，在设计高性能的排汽缸时应该考虑末级叶片与排汽缸流场之问的相互作用。一般而言，排汽缸和末级叶片气动性能研究基本上是相互独立的，即对排汽缸气动性能分析时一般采用均匀的进口条件，但这样的分析计算很难掌握排汽缸真实的气动性能和流场结构。本研究项目将开展耦合汽轮机末级整圈叶片与排汽缸的计算系统，进行排汽缸气动性能和流场结构的分析研究，给出变凝汽器背压下的排汽缸排汽损失曲线。1数值计算方法排汽缸流场结构和气动性能的研究主要包括全尺寸实验、模型试验、数值模拟和理论分析相互结合的方式。全尺寸实验是在真实的汽轮机和排汽系统上开展性能试验。模型试验是将排汽系统按比例制成模型，根据相似理论将模型上测量数据转化为实际机组的相关数据。模型试验是研究收稿日期20110316修订日期20110421作者简介王科军1978一，男，毕业于西安交通大学，本科，工程师，从事汽轮机技术研发工作。|ILL重第2期660MW汽轮机低压排汽缸联合末级整圈叶片气动性能研究机理和规律的有效方法。而新近发展的三维数值模拟技术在排汽缸流场结构和气动性能分析以及优化设计方面发挥了巨大作用。本文选择数值模拟技术对低压排汽缸的气动性能进行研究，研究对象选取见图1、图2图1低压排汽缸几何模型图2末级整圈叶片几何模型和网格对排汽缸和末级叶片级进行网格划分后，对计算模型进行全三维流场求解。流动控制方程为三维NS方程VQ其中，和F分别是无粘通量和粘性通量，Q为源项。U一一一FLLIXFILBIZ一一FVNIII，JNIZPPWLPW2PW3一PELTPLP6，P62|斌P83I2P一L源项Q包括哥氏力和离心力的作用，叶轮机流场可忽略体积力，有Q00一2OJW一十X7】PWFO5O；22O空间离散采用中心差分格式，时间离散采用二阶向后欧拉格式，湍流模型选择两方程标准K模型。计算边界条件采用级进口给定蒸汽焓值和干度，而级出口给定平均静压力。计算工质的性质采用水蒸汽热力性质表IAPWSIF97中对应的水蒸汽性质。2排汽缸性能参数及流场细节21性能参数为了量化排汽缸的性能，选取以下性能参数作为考核依据排汽缸截面损失系数进口总压一当地总压P一P一进ISL总压一P总压损失系数进EL总压一出口静压PPZ进口动能一Z静压恢复系数出口静压一进口静压PZP一一进口动能一1L口排汽缸损失系数1一表1为不同计算工况下末级叶片气动效率和排汽缸的压力恢复系数，从表中可以看出，低压末级的气动效率在大流量下大于小流量工况。工况1和2基本在92以上，而流量降低时，低压末级的效率随之降低。所计算的4种工况下的排汽缸静压恢复系数较高，表明排汽缸设计优良，具有很高的静压恢复能力。表1低压末级与排汽缸耦合计算结果圈重IIIIAO一G660MW汽轮机低压排汽缸联合末级整圈叶片气动性能研究热力透平22流动细节排汽缸的流动受末级叶片的影响非常大，限于篇幅，本文选取工况1进行流场分析。从图3的末级叶片气动参数分布可以看出，由于末级叶片相对径高比较小，气动参数沿叶高分布变化较剧烈，从径向平衡的角度来讲，末级叶片的压力分布从根到顶的梯度较大，这不仅是由于叶片的离心力引起，还有一部分来自于流线曲率的作用。因此在末级长叶片的设计时，对根部反动度的控制是极为重要的。从图4的曲线可以看到该末级叶片根部的反动度在05左右，满足设计要求。109O807惶06暑O5霉O4O3O20100静叶出口压力马赫数等值线云图图3低压末级沿轴向三个特征截面的静压和马赫数等值线云图工况1最大流量低背压与赫数A静叶出口马赫数分布图4末级叶片反动度分布图5为排汽缸的三维流线图，从图中可以看出，蒸汽通过排汽导流环和导流锥的引导作用，流动方向由轴向转为径向进入凝汽器，由于轴向尺寸的限制，在气流转向的过程中，同时通过扩散段通流面积的增加，实现将末级动能转化为压力能的扩压作用。这从图6的垂直中分面和水平中分面上的压力分布可以看出。图7所示为排汽缸特称截面损失系数，从图中可以看出，损失主要发生在扩压段靠近导流环一侧，以及排汽缸扩压器下游的流动区域内。由反动度B末级反动度分布图5排汽缸维流线图图6垂直中分面和水平中分面压力分布图下转第81页豳_囫0O0OOO0OO惺古94O506以卫M一卅一1LT9876432P隧隧融麓置彝888S024693，舢M肌舢川4L9876554P大型火电机组汽轮机通流状态评估技术的分析应用热力透平评估结果图表上显示如图1所示。裂辎裁罪磬辆媛娶蟮嚣赠恒轻重藕斌匾占辑霄旧匿量L辖琼璺筐丑L图1汽轮机大修开缸后经济性状态评估结果从计算结果来看，影响汽轮机通流效率的主要因素是叶片表面粗糙度增加，其次是汽轮机汽封泄漏，包括汽轮机轴封泄漏、叶顶汽封泄漏及级间汽封泄漏；汽轮机通流损坏因素主要是汽轮机叶片表面沉积物。根据汽轮机大修后开缸的通流状态经济性评估结果，可以确定汽轮机大修中的重点为叶片表面打磨及清理，以及汽轮机轴封间隙的调整。上接第77页于末级动叶顶部超音速流动，高马赫数流动在扩散段内加速流动容易使得导流环侧流速增大，易发生流动分离，在扩压器下游的气流形成两个较大尺度的通道涡，涡流的耗散性作用使得该部分区域的流动损失显著增加。图7损失系数分布3总结本文通过数值模拟方法对排汽缸和末级叶片4结论通过对影响汽轮机通流效率的各项因素的分类阐述，以及对其作用机理的分析，本文介绍了汽轮机通流状态经济性评估技术。特别是通过对某一660MW大型汽轮机通流状态评估实例的介绍，进一步证明了汽轮机通流状态评估技术在汽轮机检修决策中的优点与重要作用。预计汽轮机通流状态评估技术在未来大型汽轮机通流效率分析及检修决策中具有广泛的应用前景，希望本文能为未来的汽轮机通流状态评估技术的工程应用，起到积极的推进作用。参考文献1沈士一汽轮机原理M中国电力出版社，19922KCCOTTON，EVALUATINGANDIMPROVINGSTEAMTURBINEPERFORMANCEM，NEWYORKCOTTONFACTLNC，19933ROEDIGER，PAULF，“OPENINGANDCLOSINGFURBINESTEAMPATHAUDITSUSINGTHESTEAMTURBINEPERFORMANCEEVALUATIONESTPEPROGRAMVERSION72”，FEBRUA20，20034PAULEBABSON，“TURBINESTEAMPATHAUDITSFORIMPROVEDPERFORMANCEANDPROFITABILITY”，JUNE6，19945DEBORAHHCIOFFI，“IMPROVINGSTEAMTURBINEEFFICIENCY”，AUGUST15，1996的流动进行了研究，研究结果表明该末级叶片和排汽缸的气动设计良好，末级叶片气动性能较高，排汽缸压力恢复能强。通过计算发现排汽缸的流动受末叶片气动参数影响较大，因此在今后设计的过程中应考虑将末级叶片和排汽缸进行联合设计，以确保满足设计要求。参考文献1LEYZEROVIEH，ASSTEAMTURBINESFORMODERNFOSSILFUELP