透平部分进汽气流力的一种简化CFD分析方法

第55卷第1期2013年2月汽轮机技术TURBINETECHN0L0GYV0155NO1FEH2O13透平部分进汽气流力的一种简化CFD分析方法高林，戴义平1西安热工研究院有限公司，西安710032；2西安交通大学能源与动力工程学院，西安710049摘要绝大多数火电机组长期运行在部分负荷工况，部分进汽被广泛用于部分负荷工况以避免过多的经济性损失，但往往伴随高压转子稳定性的恶化。若干现场故障和相关研究表明部分进汽不平衡气流力对转子稳定性具有重要的影响。在已有研究基础上，提出了一种新的部分进汽气流力CFD分析方法，在大幅节约计算资源的条件下，相比现有简化算法大幅提高了计算精度，为开展部分进汽转子系统受力的分析研究提供了一个快捷有效的方法。关键词部分进汽；转子稳定性；气流力；汽轮机；CFD分类号V2633文献标识码A文章编号10015884201301000603ASIMPLIFIEDCFDMETHODTOPARTIALADMISSIONFLUIDFORCEESTIMATIONINTURBINEGAOLIN，DAIYIPING1XIANTHERMALPOWERRESEARCHINSTITUTECOMPANYLIMITED，XIAN710032，CHINA；2SCHOOLOFENERGYANDPOWERENGINEERING，XIANJIAOTONGUNIVERSITY，XIAN710049，CHINAABSTRACTALMOSTALLTHESTEAMTURBINUNITSRUNINOFFDESIGNWORKCONDITIONSPARTIALADMISSIONISADOPTEDTOAVOIDUNREASONABLELOSSESBUTOFTENREDUCESTABILITYOFHIGHPRESSURETURBINEROTORMANYLOCALFAULTSANDRELATEDRESEARCHSHOWTHATTHEUNBALANCEDFLUIDFORCESDUETOPARTIALADMISSIONHASGREATIMPACTONROTORSTABILITYANOVELCFDANALYSISMETHODWASPRESENTEDBASEDONSOMEEXISTSSTUDIESTHEPRESENTEDMETHODCANSAVEGREATCALCULATIONRESOURCESWITHMUCHHIGHERACCURACYTHANEXISTEDSIMIPLIFICATIONTHEWORKOFFERSACONVENIENTTOOLFORFLUIDFORCEANALYSESONPARTIALADMISSIONROTORSYSTEMKEYWORDSPARTIALADMIION；ROTORSTABILITY；FLUIDFORCE；STEAMTURBINE；CFD0前言众所周知，轴系稳定性问题已经成为制约更大功率和更高参数汽轮机发展的重要瓶颈之一。对于超临界甚至超超临界机组来说，高参数初蒸汽具有更高的能量和更小的比容，这使高压转子的重力相对于各种气流力变得更轻，转子系统载荷易受气流力影响，稳定性问题突出。一般认为，密封流体、叶顶间隙、油膜涡动激振力等是诱使转子发生低频振动的主要诱因，但除此之外，部分进汽条件下的气流力也对轴系稳定性具有重要的影响。一般在汽轮机主蒸汽阀门后布置有若干调节阀，每个调节阀与汽轮机调节级的一组喷管叶栅通道相连。系统可通过调整各调节阀的开度来控制通过对应喷管叶栅的蒸汽量，进而调节机组的输出功率以满足电网的需求。由于我国火电机组绝大部分时间都运行在部分负荷条件下，采用所有高压调节阀同步动作的节流配汽方式往往对应较大的能耗，采用不同调节阀开度的部分进汽方式具有较高的部分负荷经济性，因而被实际运行机组普遍采用。部分研究表明31，实际机组转子的低频振动特性往往与负荷水平、调节阀开启顺序、流量、部分进汽形式部分进沲弧段的太独位置紧密相关。转子系统的失稳转速也会收稿日期20120913因部分进汽气流力而发生变化。近年来，随着国内大量高参数大功率火电机组的投运，部分进汽工况瓦振大、瓦温高等轴系稳定性问题集中涌现，国内外所介绍的这类轴系稳定性问题在100MW、200MW、300MW和600MW大功率机组的高压转子上均有发生，严重影响在运机组的安全，大都通过配汽方式和配汽机构的改造使得问题得以改善或解决。文献1114计算了部分进汽气流力，并认为是对实际汽轮机高压转子一轴承系统稳定性影响的直接因素。部分进汽汽轮机内部的蒸汽流动沿周向变得极不均匀，部分进汽气流力的计算在考虑气流沿轴向和径向变化的基础上还必须考虑周向的流动变化，这使得针对部分进汽问题的分析变得十分复杂。文献15和文献16采用汽轮机叶栅平均直径处的二维模型，气流沿径向的变化被忽略。文献17建立了某200MW汽轮机调节级的全三维模型和平均直径处的二维模型，结果表明采用平均直径处的二维模型的气流力比全三维模型计算结果高10。文献14基于单个流道的三维流动模型，忽略同一喷管叶栅内不同流道的流动差异，提出了简化的部分进汽气流力的计算方法。本文利用平均直径处二维模型和单流道模型求解结果在周向和径向的各自优势，提出一种组合式的分析方法，利用单流道模型对平均直径处二维模型的计算结果进行径向修正，对某600MW机组调节级的气流力分析结果较全三维作者简介高林1981，男，满族，辽宁人，工程师，博士，长期从事火电机组热工自动化及仿真研究。第1期高林等透平部分进汽气流力的一种简化CFD分析方法7模型不平衡气流力的求解误差不到15。1部分进汽气流力的CFD模型11全三维模型计算机技术的飞速发展使计算流体力学CFD方法在各行各业得到广泛的应用，尤其在叶轮机械领域用于三维流动问题的求解更是成为设计、研究和优化的最常用工具之一。部分进汽气流力的全三维求解模型是根据实际透平级的几何结构建立求解用的全周计算网格，在此基础上求解一定边界条件和假设对应的一S方程，得到整个级或机组的气流流场，对转子和叶片上的工质压力和剪应力进行积分便可得到整个部分进汽透平级的转子系统所受的不平衡气流力。文献14和文献17都建立了实际机组的部分进汽级全三维CFD模型，所需求解的流体网格数量基本都需数百万以上，单个工况的求解都需要耗费大量的计算资源，极大限制了其应用，因此，在各种部分进汽方面的研究中，全三维模型常常用来求解单个工况问题或用于验证其它简化CFD方法和理论方法。12平均直径处二维模型如图1所示，平均直径处二维模型是根据透平级平均直径50叶展高度处假设平面的几何结构，建立二维的CFD计算网格，忽略气流径向的变化及影响，求解对应的NS方程并根据径向均匀的原则积分得到整个叶片所受气流力。棚图1平均直径处二维模型示意图与全三维模型相比，平均直径处二维模型常常被用来分析部分进汽透平流动的周向分布。一方面平均直径处的气流参数一般是透平初始设计阶段进行一维计算的计算变量；另一方面，一般平均直径处工质的流动状态往往受端部次流、I影响较小，采用平均直径处的二维模型与全三维模型在平均直径处的求解结果往往具有较高的相似性。但部分进汽基本只出现在短直叶片级，端部次流对整个流道的流动影响较大，根据忽略气流径向变化的平均直径处二维模型求解的叶片气流力误差较大。文献17进行的某200MW机组的部分进汽流动分析结果表明平均直径处二维模型比全三维模型结果偏大10。13基于单流道模型的简化模型单流道三维模型是全周进汽透平级最常用的流动分析模型，根据静叶和动叶数量的比例建立单个流道的模型，忽略全周各流道之间的差异，并在常规全周进汽透平级的分析中具有比较高的精度和求解效率。文献14提出的基于单流道三维模型的简化计算方法假设同一喷管叶栅内不同流道的流动情况近似，忽略流道之间的流动差异，进而对于部分进汽透平级至多只需在各喷管叶栅内选择其中一个流道进行三维流动分析即可还原出整个部分进汽级的流场。该模型对同一喷管叶栅内部的大部分流道可以获得较高精度的计算结果，但对于受部分进汽流动影响较大的各组叶栅边缘流道的气流力计算精度较低。有关该方法的细节详见文献14。14组合修正模型如前所述，平均直径处的二维模型对于部分进汽级的周向预测精度较高，径向变化引起的误差较大，气流力求解结果偏差较大；基于单流道三维模型的简化方法则对于径向流动的变化模拟精度较高，而对于周向变化的求解精度不足。本文提出用单流道模型修正二维模型径向误差的组合模型，根据最大流量工况叶栅中部单流道模型分析结果和平均直径处二维模型对应流道的二维分析结果计算修正因子A，并根据该修正因子修正二维模型的径向积分，该过程表示为式1。FAFLDHAI式中，F为叶片所受气流力；日为动叶片高度；L为平均DTTITL2直径处二维模型叶片表面压力积分得到的气流力线密度；AFL一为修正因子，其中FL，。为单流道三维模型求解月盖I结果。2不同模型结果的比较本文采用如文献13，14的某600MW汽轮机调节级作为比较研究的对象，该机组共有4个对称的喷管叶栅组，分别与4个高压调节阀相连。根据该机组调节级喷管静叶和动叶型线及结构，建立如前所述4种CFD仿真模型，对两阀全开工况的部分进汽调节级进行了CFD仿真。仿真边界条件中进汽压力为1503MPA，进汽温度为52639C，调节级后平均压力为879MPA，仿真平台为ANSYSCFX，选用K湍流模型和自适应壁面边界条件。根据4种模型计算得到各动叶片所受气流力如图2所示，由于各叶片所在相位不同，因此气流力以沿转子中心的力矩形式给出，以便直观比较。言R躲止古图2动叶片所受气流力矩从图2可以看出，与全周三维模型相比，平均直径处的二维模型得到的进汽弧段气流力偏大约20。其原因除短叶片端部次流的重要影响外，该机组调节级动叶片高度比静叶片高度高出近20，如此大的高度差也对平均直径处二维模型的计算结果产生了比较大的影响；基于单流道模型的简化方法得到的各喷管叶栅内的叶片扭矩与全三维模型进汽弧段的8汽轮机技术第55卷平均扭矩基本一致，但在喷管组交界的位置附近存在比较大的误差；本文提出的组合修正模型不仅在周向变化趋势上与全三维模型基本一致，而且对气流力大小的估计也得到比较高的精度。表1给出了不同模型的计算复杂度和计算结果的综合比较。求解复杂度方面，所提出的组合修正模型求解网格复杂度仅为全三维模型的115，与基于单流道模型的简化方法相比综合求解网格数量相当，与平均直径处二维模型相比增加了近一倍，但所提出模型属两个独立的求解模型，这个数量级的网格数量可在现有一般的微机上同时进行两个模型的计提出的组合修正模型的相对平均误差为368，相对均方误差为637，远低于平均直径处二维模型的计算误差，与基于单流道模型的计算误差相比也有较大的改善。对于合成的不平衡气流力的求解结果，所提出的组合修正模型求解结果的误差不到15，比其它两种简化模型的计算精度有了大幅的提升。其中基于单流道模型的简化方法在喷管组边缘的计算误差较大，导致合成不平衡气流力的方向有了一定的偏转，对整个转子系统的受力和稳定性分析具有一定的影响，而本文提出的组合修正模型由于基于平均直径处的二维模型，对气流力的周向变化估计精度较高，相对于全三维模型的合成不算，计算时间差距不大。单个叶片力矩的求解结果方面，本文平衡气流力相位角的偏差仅为002。表1不同CFD模型的比较由于非进汽弧段气流力接近0，相对误差计算的分母统一取进汽弧段气流力的平均值。华东电力，2006，341074763结论本文以某亚临界600MW汽轮机两阀全开的部分进汽调节级为对象进行了仿真分析，比较了全三维模型、平均直径处的二维模型、基于单流道模型的简化方法和本文提出的组合修正模型的仿真分析结果。采用本文提出的组合修正模型仅需全三维模型约115的CFD求解网格，求解得到的不平衡气流力的计算误差在15以内，且气流力方向的计算也十分精确，完全满足工程计算的精度需求，与现有简化CFD仿真分析方法相比具有非常高的实用性，可替代全三维模型进行透平级或级组的部分进汽气流力的CFD分析计算。参考文献1KANKIH，KANEKOY，KUMSAWAM，YAMAMOTOTPREVENTIONOFLOWFREQUENCYVIBRATIONOFHIGI1一CAPACITYSTEAMTURBINEUNITSBYSQUOCZEFILMDAMPERJJOURNALOFENGINEERINGFORGASTURBINESANDPOWER，1998，12023913962KUBIAKSJ，CHILDSD，RODRIGUEZM，GARCIAMCINVESTIGATIONINTOA“STEAMWHIRL”WHICHAFFECTEDHPROTORSOF300MWSTEAMTURBINESAPROCEEDINGSOFTHEASMEPOWERCONFERENCECSANANTONIO，UNITEDSTATESJULY，20072912983KANKIH，TANITSUJIASTABILITYOFHIGLPRESSURETURBINEUNDERPARTIALADMISSIONCONDITIONAPROCEEDINGSOFTHEASMEINTEMATIONALDESIGNENGINEERINGTECHNICALCONFERENCESANDCOMPUTERSANDINFORMATIONINENGINEERINGCONFERENCEVLBCLONGBEACH，CA，UNITEDSTATESSEPTEMBER2005112311284范建富邹县电厂4号机组汽流激振故障分析J山东电力技术，2007，259625赵永林，秦占峰，史新刚600MW汽轮机单阀切顺序阀运行解决方案的探索J热力透平，2007，36171756孙军顺序阀运行方式下600MW汽轮机瓦温偏高分析J7李卫军，张宝，童小忠汽轮机进汽方式切换时轴振与瓦温异常分析J汽轮机技术，2006，4864624648纪海东，于达仁汽轮机配汽剩余汽流力对轴系影响的研究J黑龙江电力，2003，2553553589张学延，王延博，张卫军超临界压力汽轮机蒸汽激振问题分析及对策J中国电力，2002，35121610阚伟民，邓少翔，田丰，等600MW汽轮机组调节阀控制方式切换中振动问题分析及配汽优化J热力发电，2009，3812687211于达仁，刘占生，李强，等汽轮机配汽设计的优化J动力工程，20O7，2711512王志强汽轮机配汽方式对轴系稳定性影响的研究D西安西安交通大学，200813高林，戴义平，王志强，等大功率汽轮机配汽方式对轴系稳定性的影响J中国电机工程学报，2008，2835848914“NGAO，YIPINGDAIROTORDYNAMICSTABILITYUNDERPAR