汽轮机空心静叶缝隙抽吸性能研究

第54卷第3期2012年6月汽轮机技术TURBINETECHN0L0GYVO154NO3JUN2012汽轮机空心静叶缝隙抽吸性能研究王新军，廖高良，朱鼎，姚金玲，白晓伟，王展翅1西安交通大学叶轮机械研究所，西安710049；2杭州汽轮机股份有限公司，杭州310022摘要采用FLUENT软件对某60OMW汽轮机末级空心静叶栅内的蒸汽流场与缝隙抽吸性能进行了三维数值计算，讨论了缝隙结构参数对抽吸性能的影响。结果表明随着缝隙位置从叶片前缘向尾缘的移动，静叶背弧上缝隙的抽汽量急剧减少；内弧上缝隙的抽汽量先略微增大后减小，在缝隙相对位置07234时达到最大值；随着缝隙角度的增大，缝隙抽汽量先增大后减小，在缝隙角度O45。时达到最大值，约占叶栅通道总蒸汽量的18；随着缝隙宽度的增加，缝隙抽汽量先减小后增大，在缝隙宽度为2MM时达到最小；缝隙抽吸能力与缝隙出口处的腔室大小、空腔内形成的涡核位置和涡半径以及抽吸工质的流线的长短有关。关键词空心静叶；蒸汽流场；缝隙抽吸；数值计算分类号TK263文献标识码A文章编号10015884201203019503NUMERICALSIMULATIONOILSUCTIONPERFORMANCEOFSTEAMTURBINEHOLLOWSTATIONARYBLADEWANGXINJUN，LIAOGAO1IANG，ZHUDING，YA0JIN1ING，BAIXIAOWEI，WANGZHANCHIINSTITUTEOFTURBOMACHINERY，XIANJIAOTONGUNIVERSITY，XIAN710049，CHINAABSTRACTTHESTEAMFIELDWITHINHOLLOWSTATIONARYCASCADEINTHELASTSTAGEOFA600MWSTEAMTURBINEANDTHESLOTSUCTIONPERFORMANCEBLADEWERESIMULATEDWITHTHECFDSOFTWAREFLUENTTHEEFFECTSOFTHESLOTSTRUCTUREPARAMETERSONTHESUCTIONPERFORMANCEWEREDISCUSSEDTHERESULTSSHOWTHATWITHTHESLOTPOSITIONVARYINGFROMFORESIDEEDGETOTRAILINGEDGEOFBLADE，THESTEAMMASSFLUXSACKEDBYSLOTLOCATEDONTHECONVEXSIDEDECREASEDRAPIDLY，BUTTHESTEAMMASSFLUXSUCKEDBYSLOTLOCATEDONTHECONCAVESIDEINCREASEDSLIGHTLYTOTHEMAXIMUMATTHESLOTRELATIVEPOSM一ON07234，ANDTHENDECREASEDGRADUALLYASTHEDEGREEOFSLOTINCREASED，THESTEAMMASSFLUXSUCKEDBECAMELARGERANDTHENSMALLER，THEMAXIMUMVALUEOCCURREDATANGLE45WHICHACCOUNTEDFORABOUT18OFTHETOTA1MASSFLUXPASSINGTHECASCADESCHANNE1ASTHEWIDTHOFTHESLOTINCREASED，THESTEAMMASSFLUXSUCKEDDECREASEDTOTHEMINIMUMVALUEATWIDTHOF20MMANDTHENINCREASEDINADDITION，THESLOTSUCTIONABILITYHADCONNECTIONWITHTHEVOLUMEOFINNERHOLLOWREGION，VORTEXNUCLEUSPOSITIONINTHEINNERHOLLOWREGION，VORTEXCORERADIUSANDTHESTREAMLINELENGTHOFSUCTIONWORKINGSUBSTANCESKEYWORDSHOLLOWSTATIONARYBLADE；SLOTSUCTION；NUMERICALSIMULATION；STEAMFIELD0前言蒸汽在汽轮机内膨胀到WILSON线时，会发生自发凝结产生水滴。湿蒸汽中的水滴将导致汽轮机末几级叶片发生侵蚀，甚至断裂；也使机组效率有所下降。自20世纪50年代以来，前苏联、英国、美国、日本、波兰、捷克和德国等发达国家都在积极地开展汽轮机叶片水蚀机理及内部除湿方面的研究0J。将汽轮机湿蒸汽级的静叶加工成空心结构并开设缝隙，利用缝隙内外的压差抽除静叶表面上的流动水膜是解决动叶水蚀问题的有效方法之一。俄罗斯勃良斯克运输机械制造学院PMBJIOHHK教授对通过导叶空腔将水膜抽出流动区域的方法进行了研究，结果表明内弧表面距出汽边不远处开设抽吸缝隙会有较好的效果。俞茂铮教授在80年代就开始对湿蒸汽汽轮机的除湿理论与技术进行研究，取得工丕尘成。赵羞王军等人对静叶抽吸缝隙做过收稿日期20110903。比较深入的研究。在汽轮机空心静叶上开设抽吸缝隙不仅可以去除叶片表面上的部分流动水膜，同时还可能抽吸掉叶栅流道中的部分主蒸汽，这样势必对叶栅内的蒸汽流动产生一定的影响，并进而影响汽轮机级的效率。本文利用FLUENT软件对某600MW汽轮机末级静叶栅内的汽相流动进行三维的数值计算，研究缝隙的抽吸性能及对主蒸汽流动的影响，为空心静叶合理的缝隙开设位置与结构提供理论基础。1计算模型计算采用有限容积法离散NS方程，离散方程为二阶迎风格式，湍流模型采用两方程RNGK模型和增强壁面处理的近壁面模型。图1是数值计算模型，计算区域是相邻两个叶栅通道中心流面、叶栅上下端面以及叶栅进出口面形成的空间，包含了一个空心静叶。叶片抽吸缝隙的径向开设作者简介王新军1962一，男，副教授，主要从事叶轮机械气体动力学与两相流动。196汽轮机技术第54卷图I空心静叶抽吸缝隙示意图位置是依据以往实验研究来确定的，位于相对叶高的07470967区域；缝隙轴向相对位置是缝隙所在叶型宽度方向的位置B与叶片总宽的比值；缝隙角度OT是缝隙中心线与缝隙进口处叶片表面切线的夹角；缝隙宽度Z是缝隙两壁面的间距。计算域的出EL边界有两个，一个是叶栅流道的出口，另一个为空心叶片内腔室出口。根据汽轮机的设计参数末级静叶栅进口总压平均值1879376PA；进口总温33096K；静叶栅出口背压平均值1192483PA；空心叶片内腔室出口的压力9200PA。2计算结果与分析21缝隙位置与结构参数对缝隙抽汽量的影响图2是缝隙相对位置对缝隙抽汽相对量B缝隙抽吸的蒸汽流量与静叶栅进口主蒸汽流量的比值的影响。可以看出，随着缝隙位置从叶片前缘向尾缘的移动，静叶背弧相对位置01550处的缝隙抽汽量最大，表明缝隙抽吸对叶栅主蒸汽流场的影响也最大，随后缝隙的抽汽量急剧减少；静叶内弧的缝隙抽汽量起先变化很小，在LF，07234之后开始降低。总体来说，缝隙位置对缝隙抽汽量的影响较大，缝隙位置越靠近叶片尾缘，缝隙抽吸能力越小。这种变化规律与叶片表面的汽流压力分布有关见图3，在空心静叶内腔室出口压力一定条件下，叶片背弧前缘如01550汽流压力高，相应缝隙的抽吸压差缝隙进、出口压力的差值也大，使缝隙的抽汽量增大；在相对叶宽0008区域，汽流的快速膨胀使压力迅速降低，抽吸压差也降低，带来抽汽量的1OO8O6一O4一O2OOO2O4O6O81O缝隙相对位置Q,BL图2缝隙位置对蒸汽抽吸相对量的影响量艋图3相对叶高075截面的叶片表面压力分布减小。在静叶内弧相对叶宽00070区域，由于叶片表面型线曲率很大图1，汽流膨胀很小，相应的汽流压力基本不变，缝隙的抽吸压差和抽汽量也基本不变，当070时，内弧汽流压力降低，抽吸压差和抽汽量减小。图4是缝隙角度O对缝隙抽汽相对量西的影响。可以看出两个缝隙位置处的抽吸压差基本相同，但缝隙抽汽相对量不同，均随着缝隙角度的增大而先增大后减小，在缝隙角度OT45。时达到最大值，约占叶栅通道总蒸汽量的18；在缝隙角度OT45。条件下，内弧的缝隙抽汽量略大于背弧的缝隙抽汽量。但在其它缝隙角度下，背弧的缝隙抽汽量明显大于内弧。显然，缝隙角度对背弧的抽吸性能影响大于内弧。、E茛摄图4缝隙角度对蒸汽抽吸相对量的影响图5是缝隙宽度L对缝隙抽汽相对量西的影响。在相同缝隙宽度情况下，内弧的缝隙抽汽量大于背弧，与缝隙抽吸压差有关；随着缝隙宽度的增加，缝隙抽汽量先减小，在缝、号莨晕图5缝隙宽度对蒸汽抽吸相对量的影响214汽轮机技术第54卷墓幡镫簦图8供电煤耗率随负荷率变化曲线图9实时单位燃煤成本随时间变化曲线6总结论匿旺舷瓣。图1O实时成本一利润变化曲线素是一个很重要的方面。因此发电商必须重视生产过程中燃料的管理，包括采购管理、库存管理等。2单位供电费用和单位燃煤成本与燃煤购入价格、供电煤耗率成正相关关系。发电商要想降低发电成本就必须严格控制燃煤购人价格，加强设备和技术的更新，努力降低供电煤耗。3发电实时成本也受到机组负荷率的影响。较高的机组负荷率有利于提高设备和技术的利用率，可以有效地降低生产成本；较低的机组负荷率会导致生产成本上升，不利于企业生产运营。在机组负荷率过低的时候，企业会产生亏损运行的状况。参考文献结合前面的理论分析和实际算例分析，可以得到如下结11火电企业的发电成本受多种因素影响，其中燃料因2张小桃，王爱军，等电力经济与信息化管理M郑州黄河水利出版社，2005杜松怀，温步瀛电力市场M北京中国电力出版社，2007上接第197页时，缝隙宽度，L对抽吸能力及主蒸汽流动的影响。结果表明随着缝隙宽度的增加，涡核向叶片空心内腔区域的前部移动，涡径在减小，空腔对流体的阻碍作用增强。因此，随着缝隙宽度的增加，缝隙抽汽量反而减少。当F2MM时，抽吸工质的流线明显较短，空腔的阻碍作用也较大，因此Z2MM时出现了缝隙抽汽量较小值。3结论在不同缝隙位置和结构参数条件下，数值计算了空心静叶缝隙的抽吸性能及对叶栅主蒸汽流动的影响，讨论了缝隙位置与结构参数对缝隙抽汽量和主蒸汽流场的影响规律，得到以下几点结论1随着抽吸缝隙位置从静叶前缘向尾缘的移动，静叶背弧上的缝隙抽汽量将有所减小，静叶内弧上的缝隙抽汽量先基本不变，随后抽汽量减小。缝隙抽汽量的大小与缝隙压差有关。2当缝隙角度为45。时，缝隙抽吸性能最好，抽汽量达到最大；当缝隙宽度L2MM时，缝隙抽吸性能最差，抽汽量最小。3缝隙的抽吸能力与3个方面的因素有关一是抽吸缝隙出口处的叶片内腔室大小，空间越大越有利于抽吸工质的通畅流动；二是工质在叶片内腔室中形成的涡核位置和涡半径，涡核越接近区域中间，涡径就越大，抽吸对主蒸汽流动的影响越大；三是抽吸工质的流线长短，流动距离越长，说明空心腔室对工质的阻碍作用越小。参考文献1TANUMATTHEREMOVMOFWATERFROMSTEAMTURBINESTATIONARYBLADESBYSUCTIONSLOTSAPROCINSTMECHENGRSC19911791892FILIPPOVGA，AIKSANDR0VAM，POVAROVOAMOISTURENOWONTHESURFACEOFROTORBLADETURBINESJISVESTIYAACADEMYOFSCIENCESUSSRENERGETICSANDTRANSPORT，197441331373俞茂铮湿蒸汽透平静叶尾迹区的水滴运动规律J西安交通大学学报，1980，44姚秀平，俞茂铮，等核电600MW汽轮机末级空心静叶去湿缝设计研究J动力工程，1998，1847145赵亚芳，王文华，王玉璋，等300MW汽轮机末级空心静叶内湿蒸汽二相流