调节级非定常流动与汽流激振力数值研究

第57卷第2期2015年4月汽轮机技术TURBINETECHNOLOGYVO157NO2APR2015调节级非定常流动与汽流激振力数值研究刘龙海，谢金伟，周俊飞，朱鼎，王新军1杭州汽轮机股份有限公司研究院，310022杭州；2西安交通大学能源与动力工程学院，710049西安摘要采用ANSYSCFX商用软件数值研究了亚临界600MW汽轮机调节级在不同工况下的三维非定常流动特性与汽流激振力的变化规律。结果表明随着调节阀门的开启，调节级后的压力升高，焓降和功率逐渐减小，级效率升高，余速损失减小；部分进汽调节级会对动叶产生明显的激振力；在进汽弧段，动叶激振力变化均匀，而从进汽弧段旋转到非进汽弧段以及在喷嘴端面附近时，汽流激振力会发生很大突变。两阀全开时动叶受切向力最大，随着阀门的开启，叶片受切向力逐渐减小。动叶片受到的低频激振力频率集中区域均小于1000HZ，远小于高频激振力频率。关键词调节级；部分进汽；非定常；激振力；数值计算分类号TK263文献标识码A文章编号10015884201502011704NUMERICALRESEARCHONTHEUNSTEADYFLOWCHARACTERISTICSANDEXCITATIONFORCEINTHESTEAMTURBINECONTRO1STAELIULONGHAI，XIEJINWET，ZHOUJUNFEI，ZHUDING，WANGXINJUN1HANGZHOUSTEAMTURBINECOMPANYLIMITEDRESEARCHINSTITUTE，HANGZHOU310022，CHINA；2SCHOOLOFENERGYANDPOWERENGINEERING，XIANJIAOTONGUNIVERSITY，XIAN710049，CHINAABSTRACTTHEANSYSCFXSOFTWAREWASUSEDTONUMERICALLYSTUDYTHE3DFLOWCHARACTERISTICSANDEXCITATIONFORCEINTHECONTROLSTAGEOFASUBCRITIEAL600MWSTEAMTURBINEUNDERSEVERALOPERATINGCONDITIONSTHERESULTSSHOWTHATPARTIALADMISSIONPRODUCESEXCITATIONFORCEONTHEMOVINGBLADESOFTHECONTROLSTAGEWITHTHEOPENINGOFTHECONTROLVALVE，THEOUTLETPRESSUREANDTHESTAGEEFFICIENCYINCREASEWHILETHEENTHALPYDROP，STAGEPOWERANDREMAININGVELOCITYLOSSDECREASEONTHEADMISSIONARE，THEEXCITATIONFORCECHANGESSMOOTHLY；WHENMOVINGTOTHENONADMISSIONARC，THEEXCITATIONFORCESHOWSASUDDENCHANGEUNDERTHETWOVALVESFULLYOPENCONDITION，THETANGENTIALFORCEREACHESITSPEAKVALUEANDTHENDROPSWITHTHEOPENINGOFTHEOTHERVALVESTHEFREQUENCYCONCENTRATEAREAOFTHELOWFREQUENCYFORCEWASSMALLERTHAN1000HZ，WHICHISMUCHSMALLERTHANTHEHIGHFREQUENCYEXCITATIONFORCEKEYWORDSCONTROLSTAGE；PARTIALADMISSION；UNSTEADYFLOW；EXCITATIONFORCE；NUMERICALRESEARCH0前言目前，大功率汽轮机常因参与电网调峰而处于变工况运行状态。喷嘴配汽汽轮机的调节级通常是部分进汽，流动效率低，且不均匀汽流力会使汽轮机轴系稳定性降低。甚至诱发转子的低频振动。研究大功率汽轮机调节级的非定常流动与汽流激振力，对提高机组的经济性和安全性具有重要意义。许多学者对调节级进行了多方面研究。FRIDH等人在空气透平上实验研究了部分进汽引起的流动不均匀性对级性能的影响。BAAGHERZADEH等数值计算和实验研究了调节级动叶承受的不平衡汽流力，并通过傅里叶分析得到了第一级动叶汽流力的频谱图。LHE研究了部分进汽的汽轮机的非定常特性，结果表明动叶上的轴向抽吸会引起较大的非定盥载茴独混流损。旦坚DI【等数值研究了部分进汽收稿日期20141126汽轮机的非定常流动。SAKAIN等对部分进汽调节级进行了数值计算和实验研究，并验证了数值计算的可靠性。訾宏达等数值研究了部分进汽下的调节级内部非定常流动特性，分析了非进汽弧段对流场以及机组运行安全性的影响。谢金伟等也对汽轮机调节阀一调节级段整体结构的三维流场和气动性能进行了研究，分析了部分进汽引起的非对称和非周期性三维流动形态、损失产生的位置和机理等。本文采用ANSYSCFX计算软件，数值研究亚临界600MW汽轮机3种典型工况下的调节级三维非定常流动特性，分析了调节级动叶所受不均匀汽流激振力。1计算模型与数值方法11计算模型图1是某亚临界600MW汽轮机调节级三维模型图。蒸汽经4个调节阀进入调节级配汽腔室，再通过加强筋流道进作者简介刘龙海1962一，男，本科，高级工程师，主要从事汽轮机开发设计和气动热力学研究工作。第2期刘龙海等调节级非定常流动与汽流激振力数值研究11922汽流激振力在汽轮机中，蒸汽参数沿圆周方向是不均匀分布和波动的，造成这种现象有多方面的原因结构设计不当或制造安装偏差，静叶出汽边厚度产生的尾迹区，动叶顶部沿周向的不均匀泄露等都会引起汽流在周向的流动不均匀；此外，流动的非定常性，边界层分离，动静干涉以及部分进汽等引起流场周期性变化，也使汽流沿周向不均匀分布。因此，动叶每转过一个静叶流道就会受到不均匀汽流力的冲击，产生汽流激振现象。对调节级来说，不同阀门开度直接影PLAN调节级中的汽流分布，使喷嘴叶栅汽流分布更不均匀，因此调节级受到的汽流激振力更明显。图4是两阀全开时调节级动叶受到的汽流激振力沿切向和轴向随时间的变化曲线，图中纵坐标表示的是各时刻受力值与监测时段内最大受力的比值，其它图中也做了类似处理。计算时取动叶旋转一圈为一个计算周期。两阀阀和阀全开时，调节级喷嘴叶栅下半部分通道有高速汽流流出，上半部分通道则滞留着大量的低速蒸汽。因此，当某一动叶旋转至叶栅上半部分非进汽弧段堵塞区时，动叶的压力面和吸力面基本被滞留的低速蒸汽所覆盖，汽流激振力较小；从非进汽弧段向进汽弧段过渡处，动叶压力面的压力低，吸力面压力高，造成切向力为负向极值图4G；在进汽弧段通流区，动叶处于正常作功状态，压力面的压力远大于吸力面的压力，汽流切向激振力急剧增大到正向极值并保持波动变化图4A；在从进汽弧段向非进汽弧段过渡处，动叶压力面受到高速汽流冲击，吸力面则被滞留的低速蒸汽所覆盖，汽流激振力发生突变；吸力面前缘附近的高速来流与低速滞留流体掺混，产生大量的掺混损失，并在级前形成低压区域，导致轴向力出现负向极值图4B。匣尽图4两阀全开动叶受激振力随时间变化曲线图5是三阀全开时动叶受汽流激振力随时间变化曲线。三阀全开时，I阀处于关闭状态，其对应的腔室和喷嘴组中滞留低速蒸汽，动叶栅通道中汽流分布很不均匀，叶片受轴向力变化复杂，进汽弧段汽流激振力较大，不进汽弧段汽流激振力较小。在进汽弧段和不进汽弧段之间、喷嘴端面附近叶片汽流力发生突变，这对机组的安全运行是有害的。R叵尽厘尽切向力6轴向力图5三阀全开动叶受激振力随时间变化曲线图6是四阀全开时动叶受汽流激振力随时间变化曲线。四阀全开时，蒸汽通过4个喷嘴组进入动叶栅，虽然中分面和V型I1将喷嘴叶栅分成4段，但由于各段都有蒸汽进入，所以动叶栅中汽流分布比较均匀。除了在喷嘴端面附近动叶汽流力会发生突变外，其它位置都近似呈按正弦曲线变化。_R厦尽足尽图6四阀全开动叶受激振力随时间变化曲线总体来看，部分进汽对叶片受到的激振力影响明显，不同工况下激振力变化情况差别较大。两阀全开时动叶受切向力最大，这也是两阀全开时调节级功率最大的原因，随着阀门的开启，叶片受切向力逐渐减小。两阀全开和三阀全开时，叶片承受的轴向力为负值即从汽轮机低压端指向高压端，说明流道中存在较大逆压梯度。23频谱分析动叶受汽流激振力的大小随叶片旋转不断变化，激振力的波动变化有可能会引起叶片共振。采用F丌变换对叶片受低频激振力进行频谱分析，图7图9为3种工况下动叶120汽轮机技术第57卷罩罩罂图7两阀全开频谱分析图6004503001500频率HZ切向力06001瑚181024O03OO0频率HZ6轴向力图8三阀全开频谱分析图受切向力和轴向力的频谱分析图。结果表明两阀全开时切向力频率主要集中在3464HZ和13853HZ，轴向力频率主要集中在2331HZ和23307HZ；三阀全开时切向力频率主要集中在1633HZ、8707HZ和17419HZ，轴向力频率主要集中在2078HZ、8334HZ和18058HZ；四阀全开时切向力频率主要集中在2359HZ、3932HZ和5505HZ，轴向力频率主要集中在221HZ、3683HZ和5157HZ。因为四阀全开时蒸汽充满整个叶栅通道，所以切向力和轴向力频率集中区域较接近。3结论通过对某亚临界600MW汽轮机调节级3种典型工况下的非定常计算，分析调节级的非定常流动特性和动叶所受的不均匀汽流力的变化规律。得到如下结论1随着调节阀门的开启，调节级后的压力升高，焓降和罩宴坦频率IK切向力图9四阀全开频谱分析图功率逐渐减小，级效率升高，余速损失减小。在进汽弧段，动叶气动性能较好，而在非进汽弧段时，动叶压力面与吸力面上压力分布比较接近，在喷嘴端面处叶片压力面与吸力面上压力分布不均匀，气动性能较差。2部分进汽对动叶受到的激振力影响明显，不同工况下激振力变化较大；动叶从进汽弧段旋转至非进汽弧段以及在喷嘴端面附近时，汽流激振力会发生很大突变。3两阀全开时动叶受切向力最大，随着阀门的开启，部分进汽度增大，叶片受切向力逐渐减小。3种工况下叶片受到的低频激振力频率集中区域均小于1000HZ，远小于高频汽流激振力。参考文献1FRIDHJE，BUNKUTEB，FAKHRAIRANEXPERIMENTALSTUDYONPARTIALADMISSIONINATWOSTAGEAXIALAIRTESTTURBINEWITHNUMERICALCOMPARISONSAPROCEEDINGSOFASMETURBOEXPO2004C，GT200453774AUSTRIA20042BAAGHERZADEHNFRIDHJEFRANSSONTHUNSTEADYFORCESOFROTORBLADESINFULLANDPARTIALADMISSIONTURHINESJ1JOURHALOFTURBOMACHINERY。2011，13343HELCOMPUTATIONOFUNSTEADYFLOWTHROUGHSTEAMTURBINEBLADEROWATPARTIADIMISSIONAPROCINSTITMECHENGRSC，1997211PARTA197205【4HUSHMANDINB，FRIDHJE，FRANSSONTHUNSTEADYFORCESOFROTORBLADESINFULLANDPARTIALADMISSIONTURBINESIAJASMECONFERENCEPROCEE