燃气涡轮无气膜动叶的内流流场和气热耦合计算

第56卷第5期2014年L0月汽轮机技术TURBINETECHN0L0GYVO156NO50CT2014燃气涡轮无气膜动叶的内流流场和气热耦合计算陈朔，罗磊，王松涛哈尔滨Y2大学能源科学与工程学院，哈尔滨150001摘要为了详细设计涡轮动叶冷却结构，采用内流三维流场计算对内部的流动细节进行设计，并将全三维气热耦合计算作为冷却结构最终方案的详细设计。计算结果表明，当调整第三腔隔板倾斜时，可以有效地控制第三腔流动，降低第三腔位置的高温；由于第二腔根部冷气流动雷诺数较低，导致第二腔温度较高。通过将肋形式由60。平行肋改为60V型肋能够将最大温度降低IOK。三维云图以及流线图可以看出，高温区随着结构的改变而改变。关键词涡轮；冷却；内流三维流场计算；气热耦合计算分类号V2351文献标识码A文章编号10015884201405032903FLOWFIELDANDAEROTHERMALCONJUGATEDCALCULATIONFORGASTURBINEROTORBLADESWITHNOFILMCOOLINGCHENSHUOLU0LEIWANGSONGTAOSCHOOLOFENERGYSCIENCEANDENGINEERINGHARBININSTITUTEOFTECHNOLOGY，HARBIN150001，CHINAABSTRACTFORADETAILEDDESIGNOFTHEROTORBLADESCOOLINGSTRUCTURE，THEINTERNALFLOWTHREEDIMENSIONALFLOWFIELDCALCULATIONWASUSEDTODESIGNTHEFLOWDETAILSANDFULLTHREEDIMENSIONALAEROTHERMALCONJUGATEDCALCULATIONWASACCEPTEDASTHEDETAILEDDESIGNSCHEMEOFTHEFINALSOLUTIONOFCOOLINGSTRUCTURETHERESULTSSHOWTHATWHENBAFFLEOFTHETHIRDCHAMBERISINCLINED，ITCOULDCONTROLTHEFLOWANDREDUCETHEHIGHTEMPERATUREOFTHETHIRDCHAMBEREFFECTIVELYMEANWHILE，THECOLDAIRFLOWREYNOLDSNUMBERATROOTOFTHESECONDCHAMBERISLOW，WHICHRESULTSINAHIGHERTEMPERATUREINTHESECONDCHAMBERBYCHANGINGTHEPARALLELFIBSOF60DEGREESTO60VTYPETHEMAXIMUMTEMPERATURECANBEREDUCED10KTHREEDIMENSIONALCONTOURSANDTHESTREAMLINESSHOWTHATTHEHIGHTEMPERATUREZONECHANGESWITHDIFFERENTSTRUCTURESKEYWORDSTURBINE；COOLING；INTERNALFLOWTHREEDIMENSIONALFLOWFIELDCALCULATION；AEROTHERMALCONJUGATEDCALCULATION密过渡会影响二阶计算精度的收敛的结论；尚仁操等利用O前言CFD软件对某三维涡轮导叶进行数值模拟，采用气热耦合计算方法进行气冷涡轮气动性能与传热分析，这种方法的优点提高涡轮前燃气温度对于增大发动机的推重比具有重是无需指定换热系数和热流密度等经验参数，只需要给出气要的意义。曾有计算表明，涡轮燃气进口温度每提高55C，固之间的流动换热物理条件。董平等采用气热耦合方法发动机推力可提高约10L】。由此可见，涡轮进口温度是对MARKLI型跨声速高压燃气涡轮金属导叶进行数值模拟，结衡量发动机性能的重要指标。而涡轮进口温度的提高使得果表明叶片壁面温度和换热系数与实验吻合较好。周驰航空发动机的高温部件，如涡轮、燃烧室、尾喷管等的工作环等应用有限差分方法对气冷涡轮进行了气热耦合计算，境严重恶化。因此，为满足涡轮燃气入口温度不断提高的研究了流场壁面附近网格、湍流转捩模型等因素对于气热耦需求，新的冷却结构设计方法的提出日益重要。合计算精度的影响。通过单元设计法程序、管网计算程序4以及13维温本文以某型涡轮第一级动叶为研究对象，不考虑OTDF度场设计程序进行三维导热计算已完成某型涡轮第一的情况下，对该无气膜动叶进行了内部三维流场计算以及全级动叶的内部冷却结构设计。管网计算可以调整出一个大三维气热耦合计算，得到三维内流温度分布以及全三维气热致的方案，但并不能够考虑到内部的流动细节。并且管网计耦合计算温度及流线分布结果，完成了无气膜动叶设计的最算结果只能作为初步方案设计，并不能确定最终的冷却结终分析与评估。构。在计算机技术高速发展的今天，设计人员利用商业软件进行了大量的数值模拟计算。王保国等通过数值模拟，研1内流三维流场计算究了非结构化网格下含冷却孔的涡轮转子的三维流场内NS方程的求解；张辉等对一带有叶尖间隙的低速轴流压管网计算可以调整出一个大致的方案，并不能够考虑到气机转子的三维流场进行模拟，得出了网格正交性和网格疏内部的流动细节，因此，对内部流动进行细微调整的内流三收稿ET期20140422基金项目国家自然科学基金委创新研究群体科学基金51121004。作者简介陈朔1990一，女，汉族，黑龙江双城市人，硕士研究生，当前从事航空发动机涡轮冷却方面的研究。394汽轮机技术指令达到100时，从4号高压调速汽门开度变化趋势可确定会迅速达1190以上，这样在综合指令达到100时，4个调门开度与图1设计配汽曲线也是相吻合的；唯独在综合指令低于86以下、高于50以上时，L号、2号、3号调速汽门开度均为80以上，这是此次最佳滑压试验得到新的调速汽门开度与负荷之间关系特性。24滑压运行过程中锅炉超温问题探讨在此次600MW负荷、进汽压力达到16055MPA时，试验持续35MIN时锅炉低温过热器出口壁温第六点达5659C，并有继续升高趋势；此刻运行人员将主蒸汽压力升高，超温点消失。一般在滑压运行时，引起直流炉过热器超温有以下4种可能1根据水蒸汽的热力学性质，压力越低，蒸汽的定压比热减少，加热到同样的主汽温度每公斤蒸汽的吸热量可减少，但实际燃用煤种偏离设计值较大燃煤热值偏低，耗煤量比原设计煤种增加较多，此时烟气量大幅度增加；2压力越低介质流速低，热交换速率降低，燃料所产生热量带走减少，管束表面温度升高；3燃烧调整不当也会引起局部超温，在此次600MW负荷、16055MPA压力下试验时，投入5台磨煤机运行，如调整为4台磨煤机运行就可能不会出现这一现象发生。在500MW负荷、134MPA压力下试验时，就没发生超温现象；4个别过热器管束中留有杂物，造成管径变小，流经介质流量偏小，易产生局部过热超温；这4种原因中最后一种影响最大。其它原因可通过燃烧调整得以解决。25高压调节阀开度对机组滑压运行经济性影响分析经最佳滑压方式试验表明，该型机在复合调整方式下，1号、2号、3号调速汽门开度超过60以上，高压缸效率均在84至849之间变化，即使3个调速汽门再开大，对高压缸效率影响较小，即在60至100开度下调门的节流损失变化较小。而在以往的喷嘴调节方式中的“三阀点”状态经济性仅次于三阀全开工况的结论，在该型机不成立。这与复合调整方式调节门设置重叠度的开启方式有直接关系。其中当负荷达到900MW以上或综合指令达1190以上时，4个调速汽门开度与图1设计配汽曲线相一致；在综合指令低于86以下、高于50以上时，4个调速汽门开度与图1设计配汽曲线有所不同。26汽轮机进汽压变化对经济性影响分析由水蒸汽的热力学性质给出定压比热变化值分析，在主蒸汽温度为600、压力由13MPA升至25MPA时，定压比热由25492KJK升至29679KJK，其中压力由24MPA升至25MPA时，定压比热递增值为00387KJKGK；压力由23MPA升至24MPA时，定压比热递增值为0038OKJK。而在相同蒸汽温度600QC时，压力由13MPA升至16MPA时，定压比热由25492KJKGK升至26444KJKGK，由低到高定压比热递增值分别为00311KJKGK、00317KJK、00324KJKGK。从以上不同压力等级定压比热变化比较，压力越高，定压比热递增值越大，当主蒸汽压力达25MPA时增值最大，此时在汽轮机释放能量最大，弥补了高压调节阀节流损失所带来的影响。所以在950MW和900MW负荷滑压试验中得到在25MPA时是最经济的。27滑压运行时低压缸效率对经济性影响分析在优化滑压运行试验过程中，按美国ASMEPTC62004试验标准进行，同时也计算得到各工况低压缸效率。从制造厂提供的高压缸效率每变化1，影响热耗率23KJKWH；低压缸效率每变化1，影响热耗率32LJKWH变化值分析，后者影响值是前者14倍，所以在滑压运行中仅评高压缸效率变化大小，还不能来评价滑压运行经济性，还要考虑低压缸影响。由表3、表4中的中低压缸效率比较可以看出，低压缸效率最高工况其经济性最好热耗率低，当3个不同进汽压力时得到低压缸效率相差较小时，这时再看哪压力工况下高压缸效率最高，其滑压经济性最好如500MW负荷工况。3结论神华国华绥中发电有限责任公司4号汽轮机组经优化滑压运行方式试验得到1最佳滑压起始负荷为900MW，在500MW至950MW负荷变化中，按图4粗实线得到的汽轮机进汽压力进行滑压运行，比现有运行方式更经济如在90或60负荷时采用优化曲线运行，比原设计曲线年节约标准煤分别为11062TH和33053TH。2通过燃烧调整可避免在低负荷600MW500MW区间、低压力下过热器超温问题。3如汽轮机本体和辅机有重大改进，图4粗实线得到的结论将不再适用。参考文献1包劲，孙永平1000MW汽轮机滑压优化试验研究及应用J中国电力2012，1221252美国机械工程师协会PTC62004汽轮机性能试验规程S3DLT9042004火力发电厂技术经济指标计算方法M北京中国电力出版社，2005上接第33L页7王保国，李荣先，马智明，等非结构网格下含冷却孔