亚临界600MW汽轮机调节级内流动规律的数值研究

第56卷第5期2014年LO月汽轮机技术TURBINETECHNOLOGYVO156NO5OCT2014亚临界600MW汽轮机调节级内流动规律的数值研究王曦娟，孙晓东1哈尔滨电气股份有限公司，哈尔滨150040；2哈尔滨汽轮机厂有限责任公司，哈尔滨150046摘要对600MW亚临界汽轮机部分进汽下调节级的不同工况的气动性能进行了数值模拟。绘制了能量损失、静压、流动分布等随流量变化的曲线图，分析了调节级内的流动特点及流动损失产生的主要因素，为进一步提高汽轮机调节级气动性能奠定基础。关键词调节级；效率；焓降；反动度分类号TK263文献标识码A文章编号10015884201405035403NUMERICALANALYSISOFFLOWCHARACTERISTICSWITHINTHEGOVERNINGSTAGEOFSUBCRITICAL600MWSTEAMTURBINEWANGXIJUAN，SUNXIAODONG21HARBINELECTRICCOMPANYLIMITED，HARBIN150040，CHINA；2HARBINTURBINECOMPANYLIMITED，HARBIN150046，CHINAABSTRACTTHEARTICALSIMULATESAERODYNAMICPERFORMANCEOFCONTROLSTAGEINDIFFERENTCONDITIONSUNDERLOWERPORTIONOFTHEINTAKEOFASUBCRITICAL600MWSTEAMTURBINEDRAWTHE4URVESOFTHETOTALENERGYLOSS，THESTATICPRESSUREANDTHEFLOWDISTRIBUTIONALONGFLOWRATECHANGETHEFLOWCHARACTERISTICSANDTHEMAINFACTORSTHATTHEFLOWLOSSESGENERATEDOFCONTROLSTAGEISDISCUSSEDITLAYSTHEFOUNDATIONFORFURTHERIMPROVINGTHEAERODYNAMICPERFORMANCEOFTHETURBINECONTROLSTAGEKEYWORDSCONTROLSTAGE；EFFICIENCY；ENTHALPYDROP；DEGREEOFREACTION0前言国产600MW汽轮机的调节级一般采用部分进汽的方式，所谓部分进汽是指蒸汽经过几个依次启闭的调节阀，再通向第一级喷嘴的配汽方式。在部分进汽模式下汽轮机调节级的设计对机组运行的经济性和安全性有着重要的影响，也存在着更多的技术难点。因此，对汽轮机喷嘴配汽结构进行变工况数值模拟，研究在变工况条件下调节级内部的流动规律非常有意义。针对汽轮机的调节级，国内外不少研究学者和制造商都进行了大量的研究工作。但由于计算的复杂性，部分进汽的研究较少，亟需填补部分进汽条件下调节级的内部流动研究的空缺。J。本文主要针对亚临界600MW的汽轮机，其调节级在不同工况下的性能进行研究，对比分析影响调节级气动性能的主要因素，探讨提高汽轮机调节级气动性能的方式，为进一步的深入研究奠定基础。1数值计算方法用PROENGINEER创建三维实体，CFD计算软件为NUMECA。通过技术图纸和技术参数可以看出，600MW的亚临界汽轮机进汽结构相当复杂，存在大叶片结构和进汽室隔板，其调节级喷嘴基本情况如表1所列。表1调节级喷嘴基本情况计算模型的网格用NUMEEA自带软件包AUTOGRID5生成。为了反映进汽室隔板的结构形式，对喷嘴静叶栅进行了相应的处理，得到了本文在计算中使用的数值模型，如图1所示，网格数在1300万左右。边界条件设定列于表2。OLDS图一型平均法中涡黏模型法下一方程模型中的一种。本文使一收稿日期20131226作者简介王曦娟1973，女，工程师，现主要从事燃气轮机设计工作。第5期王曦娟等亚临界600MW汽轮机调节级内流动规律的数值研究3552亚临界600MW机组调节级的变工况性能分析建立几何模型、划分网格、设定计算参数，分别在额定流量的75、85、95、100、105工况下，计算了600MW亚临界机组在的调节级动静叶片内部流动。21能量损失系数的变化规律计算静叶进、出13截面的质量平均总压，得到静叶的总压损失系数，按照文献6中的公式换算得到静叶的能量损失系数，如图2O所示。从图中可以看出，静叶在设计工况下的能量损失系数为0074，当流量进一步减小或者增加时，能量损失系数均呈线性增加趋势；流量增加时，能量损失系数增加的幅值较大，最大达NO13左右。同理计算出动叶的能量损失系数，如图2B所示，动叶在设计工况下的能量损失系数为0143，在设计工况附近95和100设计流量时，能量损失系数基本不变；流量减小，能量损失系数呈减小的趋势；流量增加，能量损失系数增加，最大达NO154左右。22静压分布计算静叶进、出口截面的质量平均静压，绘制成图3。在静叶内蒸汽的热能向动能转化，沿流动方向，压力逐渐降低且比较平缓，没有出现局部的压力突越区，静叶内的流动状懈咖L妊1辩流量静叶能量损失系数流量动叶能量损失系数图2能量损失系数随工况的变化关系艋图3静叶静压随工况的变化况良好。随着流量的增大，静叶出VI静压呈减小的趋势，静叶内承担的焓降值随流量的增大而降低。当流量小于设计流量时，静叶内承担的焓降平缓减小；当流量大于设计流量时，静叶内承担的焓降大幅度增加。计算动叶进、出口截面的质量平均静压，绘制成图4。随着流量的减小，动叶出口的静压增加，调节级内实际承担的压比减小，做功能力降低。由于调节级动叶出口边流场的不均匀性，从而使得下一级静叶进口的流动混乱，进而对下一级叶片的流场将产生影响。这种影响有可能会导致下一级，甚至下几级的叶栅内的能量损失增加。在亚临界机组内，流动呈逆压梯度流动。由于逆压梯度容易导致叶片表面边界层脱离，因此从一般的动叶设计理念来说，要在动叶内形成一定的顺压梯度，使动叶内承担一定的焓降，具有一定的反动度。艋图4动叶静压随工况的变化图5是单个叶栅通道静叶出口边压力沿圆周方向的周期性变化图，从静叶出EL压力沿着周向变化的幅值来看，当流量在设汁工况的95和100时，静叶出口边压力分布沿周向的变化幅度不大，动叶的进口气流较均匀；过小的流量75时，静叶出口的压力波动值增加，动叶的进I21气流出现紊乱，这也有可能会导致动叶内的流动损失增加。23动、静叶表面静压分布的变化规律图6为不同工况下的静叶片表面静压曲线图，从图中可以看出，沿流动方向叶片承受的载荷逐渐增加。当工况改变356汽轮机技术第56卷1412LLO是。6盎0001002003004005006M028030032034036038040M图6各工况下静叶50叶高处表面静压哇日线图后，随着流量的增大，静叶片载荷逐渐增大，但载荷分布趋势基本不变；当流量增加时105工况，静叶片载荷的分布趋势发生较大的变化，静叶片后部承受的载荷大幅度增加。图7为不同工况下的动叶片表面静压曲线图，从图中可以看，在各个工况下，动叶片的载荷分布沿轴向逐渐减小，基本比较均匀，但在非设计工况的105流量时，动叶片吸力面表面静压分布在前缘区域出现低压区域，在105流量时该区域出现了流动脱离。这个脱离区域会造成动叶片局部载荷过大，并且会带来额外的流动损失。16141210是S64204505005S060M图7各工况下动NT50叶高处表面静压曲线图24动静叶中的流动分析图8是动、静叶内的流线图，从图中可以看出，在小流量工况下，动叶内的流动较平稳。在105设计流量下，动叶片的吸力面产生了流动分离的回流区域，甚至在叶片吸力面前部产生典型的“气泡式”分离，这一部分回流会造成有效通流面积减小，甚至会导致亚临界机组在超负荷运行时效率低下。此外，可以看出死区内的流动比较混乱，尽管动叶“死区”中的速度大小与其它区域相差不大，但以回流和各种尺度不一的涡团为主，能量损失比较大。而且死区内的回流区在动叶出11处的延伸不断深入，进而影响下一级叶栅，造成下一列静叶前流场的不均匀，引起额外的附加损失。75流量105OO量图8亚临界机组动、静叶50叶高截面处的面流线图3结论在额定流量的75、85、95、100、105工况下，对亚临界机组的调节级进行的数值模拟结果表明1在采用滑压运行的模式下，当流量减小时，调节级出口的总压、静压、焓值均增加，动静叶片的能量损失系数变化不大；当流量增加时，调节级出口的总压、静叶、焓值均降低，动叶前缘吸力面出现典型的“气泡式”分离，动静叶片的能量损失系数急剧增加。2亚临界机组的焓降值在动、静叶内的分配存在一定的问题，动叶的反动度过小。在动叶内的流动呈逆压梯度，容易导致叶片表明边界层脱离。在大流量下静叶后部的载荷过大、动叶前部的载荷过大。导致调节级在大流量工况条件下能量损失增加的原因之。3在调节级动叶内，由于部分进汽出现的动叶“死区”内的流动较混乱，主要以回流和大尺度漩涡为主，这一区域的熵增较高、损失较大，而且这一回流区在动叶的出口处向下一级延伸，有可能影响下一级或者几级叶栅的流动。参考文献1晏鑫，李军，等大功率汽轮机调节级全三维气动性能的数值模拟研究A重庆工程热物理年会C，20062阳虹，杨建道，等大功率汽轮机喷嘴配器调节全三维起动性能和结构优化的研究A，中国动力工程学会透平专业委员会2010年学术研讨会论文集C，2010961073HELCOMPUTATIONOFUNSTEADYFLOWTHROUGHSTEAMTURBINEBLADEROWSATPANIALADMISSIONA