汽轮机调节级喷嘴组气动优化设计

第57卷第4期2015年8月汽轮机技术TURBINETECHNOLOGYVO】57NO4AUG2015汽轮机调节级喷嘴组气动优化设计陈远东北京龙威发电技术有限公司，北京100044摘要采用叶轮机械优化设计平台FINEDESIGN3D对调节级喷嘴组汽道进行全三维气动性能优化设计，在保证工作点不发生偏离的前提下，提高其等熵效率。经过分析，优化后喷嘴组叶片由于采用加载叶型，有效的抑制叶片表面的附面层厚度，降低叶型损失；喷嘴组外端壁型线更加平缓，端壁损失和二次流损失得到了有效地抑制。额定工况下，调节级等熵效率提高了18，并且在其它工况下调节级气动性能都有明显提高。关键词调节级喷嘴组；气动性能；优化设计分类号TK262文献标识码A文章编号10015884201504025104AERODYNAMICOPTIMIZATIONDESIGNOFGOVERNINGSTAGENOZZLEFORSTEAMTURBINECHENYUANDONGBERINGLONGWEIPOWERGENERATIONTECHNOLOGYCOMPANYLIMITED，BERING100044，CHINAABSTRACTUSINGTHEIMPELLERMECHANICALOPTIMIZATIONDESIGNPLATFORMFINEDESIGN3D，OPTIMIZEDTHEWHOLETHREEDIMENSIONALAERODYNAMICPERFORMANCEOFGOVERNINGSTAGENOZZLESTEAMPASSAGEOFSTEAMTURBINEUNDERTHECONDITIONOFENSURINGTHEWORKINGPOINTNOTTODEFLECT，BOOSTITSISENTROPICEFFICIENCYBEINGUSEDTHELOADEDPROFILEINOPTIMIZEDBLADE，THEANALYSISINDICATEDTHATITREDUCEDTHETHICKNESSOFBOUNDARYLAYEROFTHEBLADESURFACEANDTHEPROFILELOSS，MEANWHILE，THEOUTSIDEWALLLINESOFNOZZLEWILLBEMORESMOOTH，ANDTHEENDWALLLOSSANDTHESECONDARYFLOWLOSSHASBEENEFFECTIVELYSUPPRESSEDUNDERRATEDCONDITIONS，GOVERNINGSTAGEISENTROPIEEFFICIENCYWILLBEBOOSTEDBY18，ANDUNDEROTHERCONDITIONS，THEAERODYNAMICPERFORMANCEOFGOVERNINGSTAGEHASIMPROVEDOBVIOUSLYKEYWORDSGOVERNINGSTAGENOZZLE；AERODYNAMICPERFORMANCE；OPTIMIZATIONDESIGN0前言电厂汽轮机调节级喷嘴组叶片一般展弦比较小，存在大量的叶型损失和端壁损失，叶型损失和端壁损失是调节级重大损失源。不改变调节级喷嘴组部分进汽度，对调节级喷嘴组叶片进行气动优化设计，降低其叶型损失及端壁损失，具有重要意义。叶片气动优化设计技术一直是国内外叶轮机械气动热力学领域研究的重点，结合优化算法和CFD方法对叶片进行气动优化是当前研究的热点2J。DULIKRAVICH应用进化算法结合CFD技术进行了透平通流部分和透平叶片的优化设计；OYAMA利用实数型遗传算法结合NAVIERSTOKES方程求解技术，以熵损失最小为目标函数，对轴流透平叶片进行的优化设计，设计结果得到了很好的验证；希腊国立ATHEN大学叶轮机械研究所应用遗传算法与CFD结合进行了叶轮机械叶栅的三维气动设计优化，在优化过程中还结合人工神经网络技术对设计叶栅进行近似评价，取得了很好的设计结果，同时设计周期缩短很多。本文首先对喷嘴组叶片数进行优化，然后采用NUMECA国际公司的叶轮机械优化设计平台FLNEDESIGN3D对调节级喷嘴组汽道以及叶片型线进行全三维气动性能优化设计，以达到提高汽轮机调节级气动性能的目的。1调节级喷嘴组叶片数优化文献6指出，叶栅的相对节距是影响叶型损失的一个主要参数，而且存在一个最佳节距，在此最佳节距下，叶型损失系数达到最小值。实验表明，当叶栅节距小于最佳节距时，叶型压力面和吸力面上的附面层厚度在流道中所占的比重增加，而势流区则相对减小，因而摩擦损失系数和尾迹损失系数增加。对于调节级为冲动式的叶栅，其最佳节距的变化范围为TOPT0507，如图1所示。表1所示，在不改变调节级喷嘴组部分进气度E的前提下，减少喷嘴组叶片数目，调整相对节距，把叶栅相对节距尽量调整到比较好的范围内。本调节级喷嘴组叶片原始相对节距I034，远低于最佳节距，将喷嘴组的汽道数调整为8O个，全周当量叶片数调整为92个，此时相对节距I051，处于工程推荐较好范围之内。由于喷嘴组叶片数减少，相对节距会增加，出汽角度会增大，同时喷嘴组通流面积会增大。为保证额定工况下调节通流面积及转子进汽角度等工作条件不变，将静叶的安装角降低2。，将外端壁型线向内端壁方向平移1MM。收稿日期20150113作者简介陈远东1982一，男，湖北广水人，工程师，硕士，研究方向为叶轮机气体动力学。第4期陈远东汽轮机调节级喷嘴组气动优化设计253子冻结法处理。工质选择可凝结水蒸汽。调节级进口给定总压1576MPA，总温80815K，出口给定平均静压1221MPA，转子转速为3000RMIN。调节级计算域所有固壁均为无滑移固壁绝热条件。3结果分析与讨论31总体性能比较表2给出了优化前后调节级总体气动性能，通过工程经验调整优化调节级喷嘴组叶片相对节距和调节级喷嘴组汽道前三维气动优化，调节级的等熵效率由89上升到908，在保证流量不变的情况下，调节级效率提高了18。表2改变调节级的出口背压，计算其在多个工况点下的性能。如图5所示，优化后调节级不仅在额定工况流量点效率得到提升，而且在各流量工况点效率均有不同程度的提升，最大可达到35。此外优化后调节级的堵塞流量和原型的基本吻合，约为507KGS。祷辍鬟一优化前K、一质量沉量KCS图5优化先后效率随流量变化说明调节级喷嘴组经过喷嘴组叶片相对节距及汽道优化后，调节级汽道效率有了明显改善。图6显示的是喷嘴组叶片型线及端壁型线优化前后对比。从图6N看出，喷嘴组外端壁型线优化后较优化前更加平缓，这样处理有助于减少端壁损失。图66显示的是优化前后的叶型型线。上文提到为保证额定工况下调节级通流面积及转子进汽角度等工作条件不变，对静叶的安装角进行了调整，比原始叶型安装角小2。，图6C显示优化后叶型中弧线较优化前弯度增大，曲率增大，而且最大弯度相对位置后移。32喷嘴组叶片静压分布比较图7显示的是优化前后95、50、5叶高3个截面喷嘴组叶片和动叶表面的压力分布情况。可以看出，优化前后动叶表面的压力分布变化不大，这是由于优化前后转子的工作条件没有发生变化。优化后喷嘴组叶片各截面的压力分0002004006008010ZIN外端壁型线6叶片型线C叶型中