汽轮机调节级多工况下三维流场数值研究

第52卷第5期2010年1O月汽轮机技术TURBINETECHNOLOGYV0L_52NO50CT20L0汽轮机调节级多工况下三维流场数值研究屈焕成，张荻，谢永慧，曹守洪，吴其林，王建录1西安交通大学能源与动力工程学院，西安710049；2东方汽轮机有限公司，德阳618000摘要汽轮机调节级的部分进汽特性，不仅影响到机组的气动性能和效率，而且还对其安全性产生一定程度的影响。基于三维黏性可压缩雷诺时均NAVIERSTOKESNS方程，采用结构化六面体网格，运用有限容积法，构造了带有进汽室和加强筋的300MW汽轮机调节级三维黏性可压缩计算模型，针对不同运行工况下调节级内部复杂流动进行了详细研究。分析发现调节级进汽室内部流动损失较大；进汽段下游动叶通道静压分布合理，内部流动顺畅，而非进汽段动叶通道内部流动紊乱，熵增明显，部分进汽带来的损失较大；部分进汽度越小，效率降低越快，尤其是一阀进汽时，效率急剧下降。关键词汽轮机；调节级；多工况；部分进汽；数值模拟分类号TK263文献标识码A文章编号100158842010J05032104NUMERICALSTUDYONCOMPLEXFLOWPHENOMENAINCONTROLSTAGEWITHPARTIALADMISSIONUNDERMULTIPLEWORKINGCONDITIONSQUHUANCHENG，ZHANGDI，XIEYONGHUI，CAOSHOUHONG，WUQILIN，WANGJIANLU1SCHOOLOFENERGYANDPOWERENGINEERING，XIANJIAOTONGUNIVERSITY，XIAN710049，CHINA；2DONGFANGTURBINECOMPANYLIMITED，DEYANG618000，CHINAABSTRACTTHEPROMINENTLYCOMPLEXEFFECTOFCONTROLSTAGEWITHPARTIALADMISSIONOFSTREAMTURBINEINFLUENCESNOTONLYTHEAERODYNAMICPERFORMANCE，BUTALSOTHEEFFICIENCYANDSAFETYOFUNITBASEDONTHE3DVISCOUSCOMPRESSIBLENAVIERSTOKESNSEQUATIONS，WITHTHEAPPLICATIONOFSTRUCTURALHEXAHEDRONMESHANDFINITEVOLUMEMETHOD，THENUMERICALMODELFORCONTROLSTAGEOF300MWSTEAMTURBINEWITHPARTIALADMISSIONROOMANDREINFORCEDRIBWASCONSTRUCTEDANDTHENATUREOFCONTROLSTAGEFLOWWASINVESTIGATEDDETAILEDMUHIPLEWORKINGCONDITIONSWEREPERFORMEDBYBLOCKINGDIFFERENTVALVESRESULTSSHOWTHATLOSSOFFLOWINADMISSIONROOMISCOMPARATIVELYLARGEINTHEOPENCHANNELINSIDECASCADEPASSAGE，FLOWISSMOOTHERANDTHESTATICPRESSUREISREASONABLE，HOWEVER，INTHEBLOCKEDCHANNELINSIDECASCADEPASSAGE，BLADEPASSAGEINTERIORISFILLEDWITHVORTEX，RESULTINGINTHEINCREASEOFENTROPYANDLOSSBRINGINGFROMPARTIALADMISSIONTHEEFFICIENCYDECREASESWITHTHEPARTIALADMISSIONRATIO；ESPECIALLYUNDERTHECONDITIONTHATONEVMVEAREOPEN，THEEFFICIENCYDECREASESSHARPLYKEYWORDSSTEAMTURBINE；CONTROLSTAGE；MULTIPLEWORKINGCONDITIONS；PANIMADMISSION；NUMERICALSIMULATION值结果与测试数据吻合良好。同时发现动叶在部分进汽状0前。言态下，承受比全周进汽时大25倍的非定常力。DANIELJD和LISAWG对火箭引擎单级超音速透平全周进汽和部分进汽电站汽轮机通常采用调节级控制机组负荷，不同工况下进行了三维非定常流动的数值分析，得到部分进汽与全周进的调节级气动性能直接影响到机组的效率和运行经济性。汽动叶出口相对马赫数存在较大差别，分别为亚音速和超音进行调节级的三维流动特性及气动性能研究，对于降低机组速。徐星仲等通过发展多通道三维叶片非定常计算程序，能耗具有重要意义。调节级运行时一般处于部分进汽状态，对处于部分进汽状态时1O个动叶的三维流动进行了数值模部分进汽导致级内气动参数在圆周方向上存在非均匀性，内拟，发现在同一叶片不同时刻经历周期性的、幅度变化剧烈部流动复杂。由于汽轮机调节级流场的高温高压特性，对其的负荷变化，在某些时刻甚至出现出力为负的情况。訾宏达开展深入的试验研究比较困难，因此，国内外学者更倾向于等对调节级的三维非定常流动进行了14环面的数值研数值模拟。究，研究发现，当动叶片转动经过汽轮机调节级的堵塞区中瑞典皇家科学院的JENSEF等不仅对调节级部分进段直到离开堵塞区时，其后面的动叶压力梯度明显由周向转汽相关工作机理进行过理论研究，而且对其进行了试验研究变为轴向，动叶的出力明显减小。此处动叶通道中有相对静塑鱼盐篁堑工丕回亘静压以及熵沿周向分布，数止的滞留蒸汽，动叶片对其做功，使此处蒸汽的静压升高，造收稿日期20100331基金项目国家863高技术基金项目2009AAO4Z102。作者简介屈焕成1986一，男，河南漯河人，硕士研究生，现从事汽轮机气动热力学研究。322汽轮机技术第52卷成鼓风损失。为了进一步明晰汽轮机调节级在不同运行工况下的三维流动状况并分析其气动性能，本文基于三维黏性可压缩NS方程，采用结构化六面体网格，运用有限容积法，构造了带有进汽室和加强筋的300MW汽轮机全周调节级三维黏性可压缩计算模型，详细分析了部分进汽对流场气动状况的影响，并且对不同工况下的性能进行了对比，从而为提高机组效率提供参考性意见。1数值模拟方法11计算方法本文采用商用计算软件CFX求解三维黏性雷诺时均NS控制方程组，其通用控制方程。为DIVPBDIVFGRADBS1对控制方程的离散采用基于单元中心即内节点法的有限容积法，方程中的扩散项和源项的离散均采用二阶中心差分，而对流项的离散则采用BARTH和JESPERS0N共同提出的高精度离散格式。紊流计算采用普遍适用的标准KS双方程紊流模型和壁面函数法。其中湍动能方程K方程DIVPKDIVFGRADKPP2湍流耗散率方程S方程DIVPEDIVFGRAD6_CJPC2PS3N12计算模型及边界条件本文所要研究的对象是带有4组进汽室、加强筋以及喷嘴组的调节级，上下喷嘴组之间有4个静叶通道阻塞，静叶通道数目于中分面处对称分布。其计算域模型如图1所示。加强图1调节级全周造型为了直观地分析不同工况下部分进汽度对该级性能的影响，本文通过堵塞进汽室的进口来实现多工况的计算，4种工况的部分进汽度从大到小依次是094、070、047、023。进出口边界条件如表1所示，进汽室阀门关闭时，其进口设置为壁面。表1计算工况为适应进汽室和叶片流道复杂结构和拓扑关系的要求，本文对计算域采用多块结构网格进行剖分。叶片近壁面区域采用0型网格，远壁面处采用H型网格，以此来提高整体网格质量，具体网格处理如图2所示，共计1071万个网格数。图2典型位置处网格图2数值分析结果本文计算模型包括进汽室以及由加强筋、静叶和动叶组成的叶栅通道，为了更简明清晰地说明计算结果，下面将综合4种工况分别对进汽室和叶栅通道进行详细的流场描述。21进汽室内部流动分析在参与进汽的进汽室中，其内部压力分布在不同工况下类似，本文以部分进汽度为094时的工况来对其中一个进汽室内的流动进行描述。选取进汽室进口中截面和出口中截面作为本文选定的研究截面，其压力分布如图3所示。在沿流向方向，有多个收缩截面，由于截面收缩，流体速度增加，而在固壁附近产生低压区，产生流动损失。在出口区域，由于流体惯性影响，流束向进汽室出口左侧集中，使出口压力分布不均匀。59L574P嗄P图3进汽室选定截面的压力分布云图图4是本文选定的研究截面上的马赫数和流线分布示意图。从图中可以看出，在进汽室内的流动马赫数比较低，而且发现在截面收缩的过程中，主流马赫数逐渐增大，截面逐渐扩大时，主流马赫数又逐渐变小，并在主流两侧产生低速区域。图中流线的分布和上面分析的一致，在截面收缩时，在大直径截面和小直径截面连接的凸肩处，有旋涡的形成，而在截面扩大时，在流束与两侧固壁之间形成旋涡，尤其是在出口处右侧，有两个旋向相反的旋涡产生。在其它工况下，流体通过周向流动进入未进汽的进汽室，内部流动紊乱，里面充满着旋涡，这里不再给出具体描述。各工况下进汽室的质量流量和平均压损见图5所示。进汽室在4种工况下的流动损失均较大，并且可以发现，其第5期屈焕成等汽轮机调节级多工况下三维流场数值研究323图4进汽室选定截面的马赫数及流线分布020304050607080910孝图5进汽室流动参数随着部分进汽的降低逐渐增大。22叶栅通道流动分析在不同的部分进汽度下，由于非进汽段的影响，叶栅通道内部的参数沿周向的分布有很大的差异。4种工况下的叶栅表面压力分布均不相同，其主要差异存在于非进汽段的下游区域，如图6所示图中A区域为下文重点说明区域。4种工况下在进汽部分和非进汽部分交界的下游动叶通道内部的压力变化均相当剧烈。为了更直观地考察部分进汽对下游动叶上压力分布影响，本文对为094工况下如图7处动叶负荷进行研究。图8为标示动叶50叶高处的静压分布曲线。从动叶FH一嘣盛IT一051O相对轴向弦长9A四阀全开6两阀全开图6两种工况下的叶栅叶高50处压力分布云图图7区域A处的标不动叶到I，动叶分别位于进汽部分到非进汽部分，然后又到进汽部分，可以清楚地看出部分进汽对下游动叶负荷的影响。由动叶E和F50叶高处的静压分布可以看到，动叶F的压力面受到非进汽部分的影响，压力较E稍有降低，尤其是前缘部分，其压力面压力明显低于吸力面。动叶G和H则完全在非进汽区域，里面流体相对滞止，流场不够顺畅，并且局部产生了漩涡，形成低压区域。动叶I开始受到进汽来流影响，压力面压力回升，到动叶J压力面和吸力面压力逐渐恢复正常。图9为A处叶栅50叶高处的相对马赫数和流线分布。沿着静叶通道，马赫数逐渐增大，在非进汽段下游的动叶通道内部流动相对马赫数较低，甚至为零，和前面分析一致，由FI。IIIIIRO00510相对轴向弦长图8各标示动叶处50叶高处静压分布曲线、露咖蜂如2鲫和枷姗枷圳M鲫鼍、删媾嘲蜂2BD艋529DDI苣盎324汽轮机技术第52卷于该处没有喷嘴过来的气流，所以存在流动滞止区。在动叶G、H、I通道所组成的内部流场存在漩涡，当该处通道旋转到进汽部分时，对上游来流有阻挡作用。动叶J处上游流体与动叶H、I前的流体进行掺混后，有相当部分不能进入动叶G、H、I组成的通道内部，而沿流向在动叶G吸力面流出，从而造成掺混损失和斥汽损失。动叶带动通道内部滞止流体运动，从而产生鼓风损失。在其它工况下，非进汽部分的动叶流道的流动与动叶G、H和I中的类似，不再一一描述。图9A区域处的相对马赫数及流线分布图10是得到的4种工况下的功率和效率。为094和070时效率相差仅027，而为070与047效率相差为054，由此可见，随着部分进汽度的减小，调节级效率显著下降。O2O3O4O5O6O7O8O91O毒图L0多工况下的气动性能对比7674糌籁3结论本文基于三维黏性可压缩NST程，采用一S双方程湍流模型、有限容积法以及结构化网格对带有进汽室和加强筋的300MW汽轮机调节级多工况下的三维流场进行了分析，研究得到以下结论1由于该汽轮机调节级进汽室内部结构限制，流动比较紊乱，流道内部漩涡较多，存在很大的流动损失。随着部分进汽度的减小，流动损失逐渐增大，合理改进进汽室结构可以提高调节级效率；2由于部分进汽的影响，调节级叶栅通道内部流动在周向变化较大，尤其在进汽段下游和非进汽区段下游，流动差异更加明显。进汽段下游的动叶通道，内部流动较为顺畅，涡旋很少甚至没有，但在非进汽段下游，动叶通道内部涡旋较多，甚至充满着整个流道，产生斥汽损失、掺混损失以及鼓风损失；3不同工况下的流动差异主要存在于非进汽段下游，而随着部分进汽度的减小，叶栅中流动损失逐渐增大，效率降低。参考文献1JENSF，JENSEA，BUNKUTE，ETA1ANEXPERIMENTALSTUDYONPARTIALADMISSIONINATWOSTAGEAXIALAIRTESTTURBINEWITHNUMERICALCOMPARISONSAPROCEEDINGSOFASMETURBOEXPOCVIENNA，AUSTRIA，2004，GT2004537742NARMINBH，JIASENH，JENSF，ETA1NUMERICALSTUDYOFUNSTEADYFLOWPHENOMENAINAPATTIALADMISSIONAXIALSTEAMTURBINEAASMEPAPERPOWERCBERLIN，GERMANY，2008，GT2008505383DANIELJD，LISAWGFULLANDPARTIALADMISSIONPERFORMANCEOFTHESIMPLEXTURBINELA138THAIAAASMESAEASEEJOINTPROPULSIONCONFERENCEEXHIBITCAIAAPAPER20023638，INDI