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文档简介

第52卷第5期2010年1O月汽轮机技术TURBINETECHNOLOGYVOJ52NO50CT20L0两种船用汽轮机速度级流场数值比较研究刘子亘,姜元初,赵俊波1中国船舶重工集团公司第703研究所,哈尔滨150001;2中国石油吉林油田资产处置中心,吉林138000摘要对采用寇蒂斯级、半寇蒂斯级设计思想、具有局部进气的汽轮机复速级,进行了全周的三维数值模拟,比较分析了设计工况下两种复速级的流动特点及气动性能。计算结果表明,新型复速级的设计降低了第一列静叶的气动负荷,起到了减弱流动损失的作用。同时将第二列静叶由冲动式叶栅变为反动式叶栅,并且采用较大的收敛度以及较大的叶片弦长,使得气流参数在第二列静叶流道内进一步均化,有利于削弱第一列动叶入口气动参数的非定常波动。关键词汽轮机;寇蒂斯速度级;局部进汽;数值模拟;叶片分类号TK47文献标识码A文章编号10015884201005035105NUMERICALINVESTIGATIONONCOMPARISONOFTHEFLOWFIELDSOFTWOMARINETURBINEVELOCITYSTAGESLIUZIGENJIANGYUANCHUZHAOJUNBO1CHINASHIPBUILDINGINDUSTRYCORPORATION,NO703RESEARCHINSTITUTE,HARBIN150001,CHINA;2THEMANAGECENTEROFTHEPROPERTYOFJILINOILFIELDPETROCHINA,JILIN138000,CHINAABSTRACTTHEWHOLECIRCLETHREEDIMENSIONALNUMERICALSIMULATIONOFTHETURBINECURTISSTAGESWITHPAIALADMISSIONDESIGNEDUSINGTHETWOKINDSOFDESIGNIDEASOFCURTISANDSEMICURTISSTAGETHEFLOWFEATURESANDAERODYNAMICCHARACTERISTICSUNDERDESIGNOPERATIONOFTHETWOKINDSOFVELOCITYSTAGESAREANALYZEDCOMPARATIVELYTHESIMULATIONRESULTSHOWSTHATTHENEWTYPEOFSEMICURTISSTAGECANREDUCETHEAERODYNAMICLOADOFTHEFIRSTSTATORCASCADE,WHICHCANPLAYAROLEONWEAKENINGTHEFLOWLOSSESATTHESAMETIME,THESECONDSTATORCASCADEISCHANGEDTOTHEREACTIONTYPEFROMTHEIMPULSETYPE,ANDTHEFLOWPARAMETERINTHESECONDSTATORCASCADEFLOWPASSAGECANBEWELLDISTRIBUTEDBYUSINGLARGERDEGREEOF“CONVERGENCEANDLARGERBLADECHORDLENGTH,WHICHCANWEAKENTHEUNSTEADYFLUCTUATIONOFAERODYNAMICPARAMETERSATTHEINLETOFTHEFIRSTROTORKEYWORDSSTEAMTURBINE;CURTISSTAGE;PARTIALADMISSION;NUMERICALSIMULATION;BLADE0前言由于船用主汽轮机多工况、变转速、变参数的特点,船用主汽轮机调节级在保持额定工况具有较高效率的前提下,对变工况起到了调节压力的作用。随着工质流量的改变,调节级所承担的压力降和焓降也相应变化,提高调节级在各工况下的内效率对船用主汽轮机性能的提高具有较大意义。近些年,对于船动力涡轮流场及变工况计算已经开展了一些研究一。本文对采用寇蒂斯级设计技术的汽轮机复速级进行了研究,寇蒂斯级的设计思想只有结合其特有结构才能较好地提高级的内效率。汽轮机通过叶栅做功,热能和动能转化为机械能,叶栅的流动的效率直接影响汽轮机的效率,所以提高汽轮机效率的主要途径是降低叶型损失系数J。另一方面,汽轮机调节级的结构形式,关键参数如速比、局部进室,复速级的反动度配复速级的动叶顶部相对间隙收稿日期20100507尺寸,复速级内非周期、非定常流动特点等均对汽轮机的性能产生影响。本文采用数值模拟方法,对比研究了原型和新型速度级的气动性能。与原型速度级相比,新型速度级采用半寇蒂斯级的结构形式,将调节级的压降主要分解到两列静叶叶栅,降低了第一列静叶的气动负荷,起到了减弱流动损失的作用。同时,第二列静叶由冲动式叶栅变为反动式叶栅,并且采用较大的收敛度,汽流在第二列动叶中的做功能力增强,因此能够较大提高调节级的流动效率。1计算模型本文所研究的复速级有3组喷嘴,在不同的运行工况,按照一定的组合规律开启这些喷嘴组,达到实现功率调节的作用。图1为计算采用的调节级三维模型,计算域相对于外部的边界条件,除了固壁壁面之外,就是图2中给出的3个入口INLIN3和1个出口OUT界面。计算中采用了表1的作者简介刘子亘1971一,男,博士研究生,高级工程师,主要从事汽轮机设计工作。352汽轮机技术第52卷边界类型设置。实际运行时,机组会处于不同的运行工况,对于具体工况,按照表2的实际运行参数给定即可。图3给出了采用定常、全周计算条件下两个速度级叶片的标识方法。图1计算网格图2计算域进出口边界表1边界条件类型选择位置边界类型调节级入口参数压力P0,MPA焓值LO,KJKG调节级出口压力P,MPA537633305923626496对于原型复速级,汽流经过第一列静叶后,汽流的压力能和热能转化为汽流的动能,高速汽流的动能在第一列动叶流道内部分转化为机械功,汽流流出动叶进入第二列静叶,该列静叶反动度非常低,为冲动式叶栅,汽流在其流道内基本不膨胀加速,仅使汽流的方向发生改变。由第二列静叶流出的汽体所具有的动能再次在第二列动叶流道内转换为机械功。图4给出了原型复速级和新型复速级的叶型比较。除了第一列静叶外,新型速度级的后三列叶片的叶型均不一样。在新型复速级内,第二列静叶不再采用冲动式叶片,而是采用具有较大焓降的反动度式叶片。就其本质而言,新型速度级由两个冲动级组成。在新型复速级内,两列动叶的叶寇蒂斯级半寇蒂斯级图3复速级叶片表示方法、图4原型和新型复速级的叶型型也作了调整,轴向弦长缩短。新型复速级采用的局部进汽率与原速度级相同。一般而言,在级的圆周速度相同时,冲动级利用的焓降要比反动级利用的焓降大,为了增大调节级的做功能力,新型速度级动叶仍然采用冲动式。新型调节级第一列静叶各喷嘴组叶型相同,第一列静叶和第二列静叶的叶型也相同。2两种复速级参数沿轴向的变化比较在图5图8中,纵坐标的各参数采用流量加权平均的方式获得,横坐标作了无量纲化处理,沿轴向第一列静叶计算域从进口到出口的横坐标为01,第一列动叶计算域从进121到出口的横坐标为12,第二列静叶计算域从进口到出口的横坐标为23,第N动叶计算域从进口到出口的横坐标为34。55504540是35302520I一寇蒂斯坜I薄I一一半寇蒂斯级I包IJL0234一X图5两种调节级静压平均值沿轴向的分布第5期刘子亘等两种船用汽轮机速度级流场数值比较研究353700600暑500400魁300幡甘2001000霜“,A3卜一寇蒂斯级E一半寇蒂斯级0234X两种调节级绝对速度平均值沿轴向的分布曰一寇蒂斯级FE一半寇蒂斯级34图7马赫数平均值沿轴向的分布静叶为绝对马赫数,动叶为相对马赫数0E一寇蒂斯级E一半寇蒂斯级234一X图8总压平均值沿轴向的分布静叶为绝对总压,动叶为相对总压对于原型寇蒂斯级,第一列静叶采用流道逐渐收敛的渐缩喷管,流道喉部位于叶栅出口,后面各列叶栅的反动度很低,因此整个级的静压压降基本由第一列静叶承担。从图5可以看出,汽流经过寇蒂斯调节级的第一列静叶后,静压迅速降低,该列静叶承担了整个级的绝大部分焓降,在第一列动叶、转向叶栅和第二列动叶内,静压缓慢降低。仔细比较图5中后三列叶栅的静压变化,比如考察这三列叶栅入口到出口的压降差,可以发现汽流经过第一级动叶,从入口到出口12的位置,静压压力是逐渐增高再降低的,在第一级动叶的计算域出II,静压不但没有低于计算域人口的压力,反而高于计算域入口的压力;在转向叶栅内23的位置,压力发生明显的降低,实际上,尽管转向叶片的叶型接近于冲动式叶型,该叶型的收敛度还是比较大的;在第二列动叶内,压力呈现平缓降低趋势。在原型寇蒂斯级内,第一列静叶的压降、焓降最大,因此汽流经过第一列静叶后,汽流的速度增加很快,在第一列静叶出口,汽流速度达到最大,静叶出口的最高速度平均值接近670MS图6,马赫数平均值也在对应位置达到最大值11左右图7,这是整个级内汽流平均速度最高的位置。汽流经过第一列动叶叶栅后,绝对速度大幅度降低,在第一列冲动式动叶内汽流动能转换为叶轮上的机械功向外输出,在该动叶的出口如图6中轴向相对位置为2的地方汽流绝对速度的平均值已经降到115MS左右,汽流再次推动动叶做功的能力大大降低了。因此在转向叶栅内,在汽流流动方向改变的同时,必须再次加速如图6中横坐标为23的位置,否则第二级动叶的做功能力是非常有限的。对于新型半寇蒂斯级,第二列静叶采用反动式叶型,叶栅的收敛度明显大于寇蒂斯级转向叶栅的收敛度,因此,在半寇蒂斯级内,第二级静叶承担的焓降大于寇蒂斯级的转向叶栅承担的焓降。涡轮级内各列叶栅的反动度分布与叶栅的收敛度直接相关,在半寇蒂斯级内,第一列静叶的收敛度最大,第二列静叶次之,第一列动叶流道也存在明显收敛特征,其收敛度在四列叶栅中居第三,收敛度最小的是最后一列动叶,其叶型基本是纯冲动式的。由此可见,半寇蒂斯级各列叶栅承担的压降,第一列静叶最大,第二列静叶次之,第一列动叶由于有明显的收敛性特征,也承担了一定的压降,其进出口静压差略低于第二列静叶,第二列动叶的叶型由于接近冲动式,进出口计算域内,压降是最小的。3两种复速级叶片负荷的变化比较对于原型速度级具有最大局部进汽率的喷嘴区,图9给出了边界附近的两个叶片与喷嘴中间某个叶片压力分布的比较。由图可见,对于S1和S9这两个叶片,除了叶片尾缘吸力侧附近出现少许差异外,在很大的范围内它们的压力分布基本是相同的。对于叶片S19,也仍然是吸力侧的位置出现明显差异,压力侧不发生变化。图9。和图9B压力沿叶型的变化规律表现出类似的结果。喷嘴组、两区采用相同的叶型,因此图9。和图9B中压力的分布趋势很相近。对于I区,由于叶型几何形状的变化,相对于区,叶栅出口的喉部尺寸减小图9C,导致边界畸变对流动的影响更敏感。因此,叶片28的吸力侧、35的压力侧的压力分布与喷嘴中问位置叶片的压力分布出现明显差异,而28压力侧和35吸力侧的大部分范围内,其压力分布与喷嘴中间位置叶片的压力分布基本一致。对于新型速度级,图LOTZ表示喷嘴区左侧边界3个相邻叶片的压力分布。在喷嘴区边界,几何上的偏差使叶片A1的压力分布在整个叶型上均有别于A2和A3。在AL的压力侧,沿叶型压力的变化与A2和A3基本相同,但是在吸力侧,叶型085相对轴向弦长位置以前,A1韵压力均高于耋山喜。巨E_窆354汽轮机技术第52卷654_R鼍3剥2喷嘴III区边界一A1一A2一A30204060810喷嘴II区边界图9原型速度级叶片型面压力分布曼550寒T5署40副5一ALSAL6一AL7口喷嘴I区左侧边界L3图LO04060810X喷嘴I区右侧边界3新型速度级叶片型面压力分布其它两个叶片的压力,在0851相对轴向弦长之间,叶片计算。A1的压力低于其它两个叶片压力。叶片AL吸力面上的压力分布与其它两个叶片之间存在不同的主要原因,一方面是由于喷嘴边界壁面与叶片吸力面的几何畸变使收敛度较高引起来的,另一方面,该叶片斜切部分与非喷嘴弧段的低压区直接联通,总体压力分布要低于其它叶片。叶片A1到喷嘴区边界壁面之间的流动空间,汽流通道前部收敛度较大,后部具有略微扩张的特点,加上非喷嘴区域较低的压力状态,使得汽流加速现象较为严重图10C。这3个叶片吸力侧出口附近的最低压力点叶片AL的最低,A2次之,A3最高,表明非喷嘴区域的低压特点对喷嘴区域边界上的叶片造成一定影响,位于喷嘴中心的叶片基本不受这种影响。图L0N表明,叶片A3的叶型压力分布基本达到正常状态。在喷嘴边界的右侧,非喷嘴区域的影响相对要弱一些图10B。4两种复速级级效率的比较叶栅能量损失计算公式。对于如图11所示的透平级内流动,静叶栅的能量损失系数表示为。1IT,1假设静叶栅的平均比热比为K。,则上式可表示为KL1KL1“一1一一2用式2来计算静叶叶栅的能量损失系数较为方便,静叶出口的静压力、滞止压力在CFD模拟程序中均可以计算出来,K取级的平均比热比。对于动叶的能量损失,滞止压力取动叶的相对滞止压力,比热比取动叶的平均比热比进行6S蒌4署3副2C喷嘴I区边界一A3一A4。一A802040608L0C喷嘴I区某些叶片图11涡轮级流动过程焙熵图效率计算公式。对于图12所示的复速级焓熵图,采用的级效率计算公式为一等叼豆一FPO“上式中,假设复速级的平均比热比为K。在这两种调节级中,最明显的变化是动叶做功能力的改变。从表3中可以看出,寇蒂斯调节级第一列动叶的输出功率较多,占该调节级总功率的885,第二列动叶输出功率所占的比例很低。从寇蒂斯级的喷嘴叶型可以看出,喷嘴叶土SDI苣R旧剥第5期刘子亘等两种船用汽轮机速度级流场数值比较研究355型适用于亚音速和高亚音速流动,不适合于马赫数大于12以上的超音速流动,因此第一列静叶流出的汽流速度是有限的,经过第一列动叶后,汽流速度已大幅度降低,而第二列静叶反动度很低,汽流在第二列静叶内没有较大的加速,第二列动叶的做功能力自然较低。半寇蒂斯调节级的输出功率要均衡一些,但是新型速度级第一列动叶的输出功率仍然大于第二列动叶的输出功率。从表4可以看出,对于新型速度级,由于各列叶栅能量损失系数均略有降低,级的轮周效率高于原型寇蒂斯调节级。表3调节级后3列叶栅进出口气动参数比较5结论图L2复速级流动过程焓熵图本章采用数值模拟方法,全周数值模拟了具有三组喷嘴的原型和新型复速级流场,得到以下结论1新型复速级将调节级的压降主要分解到两列静叶叶栅,降低了第一列静叶的气动负荷,起到了减弱流动损失的作用。第二列静叶由冲动式叶栅变为反动式叶栅,并且采用较大的收敛度,汽流在第二列动叶中的做功能力增强,因此能够较大地提高调节级的流动效率。2由于新型复速级第二列静叶承担的压降较大,并具有较强的收敛性及较大的弦长,使得汽流参数在第二列静叶流道内进一步均化,有利于削弱第一列动叶入口气动参数的非定常波动。3对于新型复速级,在非进汽弧段的两端,动叶承受方向相反的由高压区向低压区汽体流动形成的气动力矩的作用,导致相应位置第二列静叶叶型的压力分布发生明显变化。参考文献1IEUTENARTORMONDLCURTISTURBINEDESIGNJJOURNALOFTHEAMENCANSOCIETYFORNAVALENGINEERS,2009,232314582刘顺隆,冯永明一个典型舰船动力涡轮三维粘性流动的数值分析J哈尔滨工程大学学报,2003,2466176213ENSIGNPAULEDESCRIPTIONANDTESTOF27一INCHCURTISTURBINEFOR50一FOOTUSNAVYCUTTE

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