三维数字模拟技术在汽轮机低压汽缸汽密性设计中的应用

第53卷第1期、2011年2月汽轮机技术TURBINETECHNOLOGYVO153NO1FLLB20LL三维数字模拟技术在汽轮机低压汽缸汽密性设计中的应用陈伯树，魏军，杜连庆，何成君，平路光哈尔滨汽轮机厂有限责任公司，哈尔滨150046摘要随着大容量、高参数火电机组的不断发展，机组整体汽密性的设计对机组安全性和效率的影响变得越来越重要。将全三维非线性热固、流固耦合数值模拟技术引人到大型汽轮机机组低压汽缸及其部件的汽密性设计分析中，通过对结构的全新改进和优化解决了华能沁北电厂和大唐乌沙山电厂低压汽缸漏汽问题，提高了机组效率。关键词大型汽轮机机组；汽密性；热固耦合；流固耦合；非线性分类号V2324文献标识码A文章编号10015884201101001403ANALYSISOFTHESEALCHARACTERISTICFORLPCYLINDEROFLARGESTEAMTURBINECHENBOSHU，WEIJUN，DULIANQING，HECHENGJUN，PINGLUGUANGHARBINTURBINECOMPANYLIMITED，HARBIN150046，CHINAABSTRACTWITHTHEDEVELOPMENTOFTHEEMERGENCELARGECAPACITY，HIGHPARAMETERTHERMALPOWERUNIT，THEHIGHERECONOMYANDRELIABILITYISDEMANDEDTHEWIDESPREADSTEAMSEALISSUEONTHERMALPOWERUNITSERIOUSLYAFFECTSTHESAFEOPERATIONANDCOALFIREDEFFICIENCYOFTHESTEAMTURBINE，ANDTHESTEAMLEAKAGEOFTHELOWPRESSURECYLINDERISMORESERIOUSANDFREQUENTTHESEALCHARACTERISTICOFTHESTEAMTURBINECYLINDERBLADERING，ETCWASSIMULATEDUSINGLARGESCALEFINITEELEMENTSOFTWAREANDCFDSOFTWAREINTHISPAPERTHROUGHTHEIMPROVEMENTANDOPTIMIZATIONINTHESTRUCTURE，HUANENGQINBEIPOWERPLANTANDDATANGWUSHAHILLPOWERPLANTLPCYLINDERSTEAMLEAKAGEPROBLEMSHAVEBEENRESOLVED，INADDITIONITIMPROVETHEEFFICIENCYOFTHEUNITOFTHENEWSOLUTIONKEYWORDSLARGESTEANLTURBINE；SEALCHARACTERISTIC；THERMALSTRUCTURALCOUPLING；FLUIDSTRUCTURALCOUPLING；NONLINEAR0前言低压汽缸是汽轮机的重要部件，主要承受着内部零件的支撑载荷、蒸汽的温度和压力载荷等，随着汽轮机参数和容量的不断提高，低压汽缸结构越来越复杂。采用常规方法精确计算其汽密性变得极为困难。本文将三维数字模拟技术引入到汽轮机低压汽缸汽密性分析和设计中去，分析和解决漏汽问题。本文重点研究大型汽轮机机组低压内缸的汽密性，采用高度非线性有限元技术数字模拟技术分析大型机组低压内缸在螺栓载荷、蒸汽压力、温度载荷以及内部部件的相互作用下，低压内缸整体汽密性的情况。发现密封能力薄弱的区域，对结构进行优化，改善低压内缸整体汽密性，提高电站汽轮机运行的安全性和经济效益。1物理模型的建立的蒸汽载荷和大型螺栓的拧紧载荷，在这种情况下用常规方法已经很难准确计算其汽密性。引入了新的手段和方法来分析问题。采用三维数字模拟技术分析低压内缸汽密性。由于温度场对汽密性结果影响很大，常规方法得出的壁面对流换热系数的误差已经不能满足精确计算的要求，于是引入三维流场软件对其内部流场进行全三维的数字模拟。准确模拟出汽缸及其内部零件每个表面的换热系数，然后导入到非线性分析软件中完成热固耦合分析。低压内缸内部装有隔板套、静叶片、螺栓等，其中静叶片多达1090只，要完全模拟非常浪费电脑资源，同时难以体现分析重点。为减小计算规模和突出分析重点，用当量等效薄板代替，让其所受载荷通过隔板套或其本身传递给汽缸。简化后本力学模型如图1所示，主要包括低压内缸上、下半共2件，电端隔板套上、下半共2件，调端隔板套上、下半共2件，电端当量等效薄板17级上、下半共L4件，调端当量等效薄板17级上、下半共14件，连接螺栓共220件。离散后单元组成见表1，单元质量见表2。低压内缸内部不仅装有各级静叶片起导流作用，还有引2求解入蒸汽和分配蒸汽的通道和腔室；其外有许多抽汽管道，结掏复杂墨部往众运，丘况变化大，主要承受高温、高压收稿日期2010111921流体分析作者简介陈伯树1979，男，工程师，主要从事汽轮机强度分析及研究。第1期陈伯树等三维数字模拟技术在汽轮机低压汽缸汽密性设计中的应用1,5图1模型整体装配图表1低压内缸有限元模型单元组成考虑计算资源问题，将流体域分成进汽域、5号抽汽域、6号抽汽域、7号抽汽域以及8号抽汽域5个部分，然后每个域分别求解。本文以进汽域为例，介绍分析流程，进汽域CFD网格如图2所示。图2进汽域网格模型采用商用流场计算软件，定常求解全三维雷诺平均的一S方程组DIVPDIVFGRADQS1D控制方程的离散采用基于有限元的有限体积法；耦合、隐式的时间推进算法；应用多重网格技术加速收敛。为了绝对保证计算的稳定性及收敛，对各流动控制的数值模拟所采用的空间离散精度均为高精度格式，即在CFX求解控制中ADVECTIONSCHEME项选用HIGHRESOLUTION；采用物理时间步，选择物理时间步为001S。湍流模型采用KEPSILON两方程湍流模型，自动壁面函数。22热固耦合分析在完成流场分析的基础上，将流场分析的温度场结构导入到结构分析中，用于顺序热固耦合分析。这种方式主要是让流体和固体独立求解，迭代主要在流固的结合面，结构分析中提供流固结合面的位移变形，流场分析中提供结合面的流体压力和温度分布。由于这种耦合方式比较本性的缘故，被广泛应用于流固迭代现象。对于许多工业工程，如汽轮机装置、阀门执行机构的气密性问题。该分析有限元模型要考虑螺栓、上下缸体、上下隔板套之间的接触，在ABAQUSSTANDARD中，这些零件是通过两个接触面来传递载荷的，这种连接方式通过在两个面之间创建TIE约束或接触来实现。本模型共有接触230对和TIE220对，根据网格疏密及接触容差不同设置TIE约束。例如，上缸与下缸之间的载荷传递、螺栓头与上缸的载荷传递、隔板套与低压内缸缸体的载荷传递均通过接触面来实现。为模拟不同部件之间的接触关系，分别在上下缸之间，隔板套与缸体之间，罩螺母与上缸及隔板组上部定义接触对。其中螺栓载荷传递既涉及接触又涉及TIE，罩螺母与上缸体为接触关系、螺纹与下缸体为TIE约束。模型载荷主要包括蒸汽压力、温度场、螺栓紧力、重力。螺栓紧力也不尽相同，完全按安装紧力为准，蒸汽压力和温度热载荷均由流体域中计算结果得来。除流场压力及温度场外，模型的载荷施加如图3所示，其中网格组成如表1所示。图3进汽域壁面换热系数本文分析所涉及的材料数据均为随温度变化的非线性数据。考虑到由热变形产生的初应变与力学变形产生的应变的相匹配见公式2，为保证计算精度采用非协调单元进行分析计算。L6汽轮机技术第53卷3结果分析进汽域壁面对流换热系数如图3所示。根据所有区域的换热系数以及金属热传导等因素在流体软件中模拟低压内缸及其内部零件温度场，然后插值到结构分析中，其分布如图4所示。低压内缸整体汽密性根据参数CPRESSICOPEN值来图4模型温度场判断J。CPRESS指从面上单位面积上的法向接触力。COPEN指接触面上主从节点的距离。根据COPEN可以判断出存在蒸汽泄漏的区域。由图5所示，在水蒸汽的高温高压，复杂装配关系，以及结构非线性等因素的共同作用下，螺栓载荷已经不足以保证接触面的完全密封，许多区域的接触面已经分开，如图5中A、B、C区域和图6中D、E、F、G区存在漏汽。4结论图5模型汽密性整体结果CPRESS值和COPEN值经过分析可以发现这些汽密性缺陷的所在位置与电厂实际漏汽情况完全吻合，经过设计工程师和结构分析工程师的不懈努力，大胆创新，采用全新的结构将汽密性问题基本解决。本次分析不但解决了复杂结构在多种载荷的相互作用下的密封性困难，而且通过结构的优化和创新解决了电厂实际漏汽问题，提高了机组燃煤效率能提高本机组整体效率1以上，产生了不可估量的经济效益和社会效益；更是非线性有限元技术在旋转机械行业中的一次重大应用和突破。将有限元技术和试验相结合的手段，这先进的全三维非线性分析方法完全可以取代过去的二维平面工程技术方法。汽缸中分面漏汽情况局部放大图图6模型汽密性局部放大结果下转第13页O0一以O一一0A一O一融一以O一缸OO一O一以一第1期李宇峰等定常和非定常计算方法在固粒磨蚀数值模拟中的应用研究13NPOSITIONRINPOSITION6S2N_POSITIONP】R2N_POSITIONR3N_POSITIONCS3_POSITIONR4图9一个周期内叶片壁面固体颗粒沉积率随时间的变化20M匀，这导致导叶与动叶的非定常干扰加强。下游动叶对上游动至叶片表面并与叶片撞击的运动状态，因此固粒对叶片表导叶势流场的扰动影响了导向叶栅内小直径固粒的运动轨面的撞击率易受势流场变化的影响。迹，即势流干涉使得固粒在叶片表面的沉积区域呈现出周期巢荽古性变化，因此非定常时间精确解能够体现出叶列间的扰动对丐X陬叶片表面固粒沉积和磨蚀规律的影响。1RPANTONFLOWPROPERTIESFORTHECONTINUUMVIEWPOINTOFANON比较定常与非定常计算结果发现，通过定常计算获得的一EQUILIBRIUMGASPARTICLEMIXTUREJJFLUIDMECH1968，相同条件下的固粒沉积面积偏小，而且弱化了固粒对叶片壁31273303面的磨蚀程度；而非定常计算能得到比较准确的叶片表面固LSOOFIUIDDYNAMICSOFMUHIPHESYSTEMSMBLAIDELL粒磨损峰值及磨蚀量。一一PULII“GC。，W_65结论1在相同条件下，通过定常与非定常计算结果比较发现，定常计算得到的固粒沉积面积偏小，弱化了固粒对壁面的磨蚀程度；非定常时问精确解能获得比较准确的固粒对壁面的磨蚀峰值以及被磨蚀壁面的磨蚀总量。2导叶压力面是固粒磨蚀的严重区域，其前半部分遭受固粒的冲击磨损，后半部分承受擦伤式磨损与冲击磨损的综合作用。动叶前缘、吸力面前半部分以及压力面中部是承受冲击式磨损与擦伤磨损的严重区域。动叶受磨损的区域虽然小而分散，但是其磨损率峰值却与导叶的数量级相当。3尽管主流势流场引起的压力脉动不是非常大，但势流夹带固粒群运动轨迹的微小变化，都会显著改变固粒运MEGROLLES，PARIS19754SIPAITWOPHASEFLOWVIEWEGVERLAGMBRAUMSEHWEIG19775GRUDINGERFUNDAMENTALSOFGASPARTICLEFLOWMELSEVIERSCIENTIFICPUBLISHINGCO，AMSTERDAM19806GHETRONI，ETA1HANDBOOKOFMULTIPHASESYSTEMSMHEMISPHEREPUBLISHINGCO，WASHINGTON19827方韧，徐星仲，徐克鹏汽轮机部分进汽调节级三维流场的非定常数值模拟J动力工程，2007，10，7217248谢永慧，蓝吉兵，樊涛透平级三维粘性非定常流动及气流