沖動式汽輪機(jī)級平衡孔面積對級性能影響的研究

劉網(wǎng)扣, 張兆鶴, 崔 琦, 江路毅

(上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院,上海 200240)

提高汽輪機(jī)效率最關(guān)鍵的是要提高通流部分的流動效率,汽輪機(jī)組通流部分級間吸漏狀況以及吸漏氣量對通流部分的效率影響很大[1-2].尤其在沖動式汽輪機(jī)中必須設(shè)置平衡孔,平衡孔面積的合理取值成為困擾設(shè)計(jì)工作者的一個(gè)難題[3-4].隨著氣動試驗(yàn)和數(shù)值模擬手段的應(yīng)用和發(fā)展,平衡孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對透平級流動性能的改善日益顯著,合理的平衡孔面積可以起到改善動葉根部流動、減小泄漏損失及其與主流的摻混損失并提高透平級做功能力[5-6].

筆者針對某600 MW機(jī)組高壓缸沖動式級的模擬透平級在隔板汽封一定的條件下,改變平衡孔的孔徑和總面積,對模擬透平級進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析,研究平衡孔面積的變化對透平級效率及氣動性能的影響.計(jì)算結(jié)果與空氣透平試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行了比較、分析,并提出沖動級平衡孔設(shè)計(jì)的一些原則.

1 透平級模型介紹

圖1為模擬透平級的通流簡圖.該級靜葉為正彎靜葉,也稱為馬刀型靜葉,葉片數(shù)為40;動葉片為彎扭葉片,葉片數(shù)為60.葉頂汽封齒采用4齒平齒,齒間隙為0.37 mm;隔板汽封齒為兩高兩低齒,齒間隙0.5mm;級間腔室近根部布置有一只徑向汽封齒,齒間隙0.7 mm.流經(jīng)透平級各部分的流量定義如下:

圖1 模擬透平級的通流簡圖Fig.1 Schematic diag ram of the flow path of simu lated stage

g0為透平級的總流量;g c為隔板汽封漏氣量;gd為平衡孔漏氣量;gf為級間葉根吸漏氣量.令g1為既從隔板汽封漏出又從平衡孔漏出的流量.g′0=g0-g1稱作透平級葉柵部分實(shí)際的流量.本文中級間根部氣體吸入主流稱為“吸氣”,定義為“正”;級間根部氣體從主流漏出稱為“漏氣”,定義為“負(fù)”.

2 數(shù)值計(jì)算方法

采用NUMECA商用CFD軟件進(jìn)行計(jì)算.湍流模型采用S-A模型.空間差分采用Jamson中心差分格式,CFL數(shù)為3,時(shí)間項(xiàng)采用4階Runge-Kutta法迭代求解.為加速收斂,計(jì)算采用多重網(wǎng)格技術(shù),結(jié)合變時(shí)間步長以及殘差光順方法,以獲得最快的收斂速度.葉片流道采用HOH網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),葉頂汽封、隔板汽封局部加密,汽封流道與主流道、平衡孔與汽封通道均采用FNMB連接.包含隔板汽封和葉頂汽封的透平級網(wǎng)格總數(shù)為148萬,包含平衡孔的透平級網(wǎng)格總數(shù)為587萬(包含5個(gè)葉柵流道).葉片流道最小正交性為32,90%的網(wǎng)格正交性大于72,99%的網(wǎng)格長寬比小于1 000,網(wǎng)格質(zhì)量良好.

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果及比較分析

3.1 無平衡孔透平級計(jì)算結(jié)果

原模型級的設(shè)計(jì)中動葉為60片,輪盤上開有5個(gè)平衡孔.因計(jì)算機(jī)資源有限,筆者僅對包含5個(gè)葉柵流道、扇形輪盤上開有一只當(dāng)量孔的計(jì)算模型進(jìn)行了計(jì)算.由于將原5個(gè)平衡孔的孔徑折合為計(jì)算模型中的當(dāng)量孔,會造成平衡孔的流量系數(shù)有一定差別,對計(jì)算結(jié)果有一定影響,本文中對此未做深入分析.

對無平衡孔、無隔板汽封的計(jì)算模型和無平衡孔、有隔板汽封的計(jì)算模型分別進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算.在對無平衡孔、有隔板汽封的模型進(jìn)行計(jì)算時(shí),隔板汽封漏氣量完全從級間根部吸入主流.表1為無平衡孔透平級的計(jì)算結(jié)果.有隔板汽封時(shí),隔板汽封相對漏氣量為0.839 9%,相比無隔板汽封的計(jì)算模型,造成級效率相對下降量為1.381 2%,級效率變化隨隔板漏氣量變化的相對變化率為-1.64.參考文獻(xiàn)[7]中詳細(xì)分析了級間根部漏氣量對級效率的影響,試驗(yàn)與計(jì)算結(jié)果均顯示:在一定的漏氣量范圍內(nèi),隔板汽封相對漏氣量每增加1%,相對級效率下降1.5%～1.7%,即隔板汽封漏氣進(jìn)入主汽流會造成級效率的較大下降,這與本文的計(jì)算分析是一致的.由表1的數(shù)據(jù)還可以看出,有隔板汽封漏氣時(shí)級根頂部反動度、流量系數(shù)均有一定抬高.靜葉損失變化不大,吸氣進(jìn)入主汽流會造成動葉損失的增加,這主要是由于徑向吸入的氣流嚴(yán)重干擾了主汽流的流動,增大了動葉根部的端損區(qū)及端損,造成級效率的下降[3].

表1 無平衡孔透平級計(jì)算結(jié)果Tab.1 Computation results of the turbine stage without ba lance hole

3.2 平衡孔面積變化對透平級級性能的影響

3.2.1 平衡孔面積變化對透平級效率的影響

表2為平衡孔面積變化計(jì)算方案.筆者共計(jì)算了孔徑2～12 mm的8個(gè)方案.計(jì)算中保持平衡孔數(shù)量不變,每片動葉對應(yīng)一個(gè)平衡孔,透平級進(jìn)出口參數(shù)不變,通過改變平衡孔孔徑來改變平衡孔總面積.圖2至圖7中曲線包括平衡孔面積為0(有隔板汽封無平衡孔)的工況點(diǎn).

表2 平衡孔面積變化計(jì)算方案Tab.2 Calculation scheme of balance holearea

圖2為級效率隨平衡孔面積變化的計(jì)算曲線.從圖2可以看出,隨著平衡孔面積的增大,透平級效率逐漸提高;在平衡孔面積較小時(shí),級效率增加較快,隨著平衡孔面積進(jìn)一步增大,級效率變化趨緩,直至最后變成一條近似水平的直線.從該曲線可以看出,葉輪的平衡孔可明顯提高透平級效率.這是由于開平衡孔時(shí)隔板汽封的漏氣量部分或全部從平衡孔流入下一級,改善了級間根部及動葉進(jìn)口流動狀況,提高了透平級做功能力.但是隨著平衡孔面積的進(jìn)一步增大,級效率逐漸呈一常數(shù)(0.885 3),這是由于隨著平衡孔面積的增大,平衡孔前后的壓差減小,通過平衡孔的蒸汽流量并未進(jìn)一步增加.由以上分析可知,合理設(shè)置平衡孔比不設(shè)置時(shí)級效率提高了0.71%,占隔板漏氣對效率影響量的58%.

圖2 級效率隨平衡孔面積變化計(jì)算曲線Fig.2 Curvesof stage efficiency varying with balance hole area

3.2.2 平衡孔面積變化對各流量的影響

圖3 透平級流量隨平衡孔面積的變化Fig.3 Cu rves of turbine stage flux varying w ith balance hole area

圖4 隔板汽封漏氣量、平衡孔流量、級間根部吸漏氣量隨平衡孔面積的變化Fig.4 Flux of clapboard seal leakage,balan ce hole and suction/leakage at root of b lade varying with balance hole area

圖3為透平級流量隨平衡孔面積變化的曲線.從圖3可以看出,隨著平衡孔面積的增大,透平級總流量逐漸增加并趨于常量,而葉柵部分實(shí)際流量變化也逐漸趨于常量.圖4為隔板汽封流量、平衡孔流量和級間根部吸漏氣量隨平衡孔面積變化的計(jì)算結(jié)果.從圖4中可知隔板汽封漏氣量隨平衡孔面積增大略有增加,變化很小.平衡孔流量隨平衡孔面積增大逐漸增加.在平衡孔面積較大時(shí)(φ=8 mm、10 mm、12 mm)流量變化很小,這主要是由于在沖動式透平級間和級后壓差很小,平衡孔面積進(jìn)一步增大雖然增大了通流面積,但是平衡孔前后壓差會減小,流量并不會進(jìn)一步增加.級間根部吸漏氣量隨平衡孔面積增大由正值逐漸變?yōu)樨?fù)值,即由“吸氣”狀態(tài)變?yōu)椤奥狻睜顟B(tài),并在平衡孔面積較大時(shí)維持一個(gè)相對穩(wěn)定的漏氣量.從圖4曲線可得出,級間葉根不吸不漏工況時(shí)的平衡孔面積約為1 280 mm2.

3.2.3 相對級效率變化的計(jì)算結(jié)果

圖5為相對級效率變化量隨級間根部相對吸漏氣量的變化.圖5中有文獻(xiàn)[3]得到的試驗(yàn)及計(jì)算曲線,也有本文的計(jì)算點(diǎn).圖5的橫坐標(biāo)相對吸漏氣量中透平級流量基準(zhǔn)值采用的是g′0,縱坐標(biāo)相對級效率中計(jì)算級效率采用g′1,流量對級效率按下式進(jìn)行了修正:

式中 :η′u修正為無隔板汽封、無平衡孔時(shí)基本級的級效率.

圖5 相對級效率變化量隨級間根部相對吸漏氣量的變化Fig.5 Cu rves of relative stage efficiency varying w ith suction/leakage flux

隨著平衡孔面積的增大,級間根部流動從“吸氣”狀態(tài)向“漏氣”狀態(tài)過渡.從圖5可以看出,在平衡孔孔徑為2mm、3 mm和4 mm時(shí),級間根部呈“吸氣”狀態(tài),隨相對吸氣量增加,相對級效率下降;隨著平衡孔面積增大,在平衡孔孔徑為6 mm、7 mm、8mm、10 mm 和12mm 時(shí),級間根部呈“漏氣”狀態(tài),隨相對漏氣量增加,相對級效率提高.從表2可知,φ=4mm時(shí)平衡孔的總面積已大于產(chǎn)品中的平衡孔總面積.以上結(jié)果說明,對于根部反動度約為10%的沖動級,要達(dá)到-1%的相對漏氣量從而獲得最佳級效率是不太可能的.但要獲得較高的級效率,在葉輪結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度允許的情況下,平衡孔的總面積可適當(dāng)加大.

3.2.4 平衡孔面積變化對動葉損失的影響

圖6為不同平衡孔孔徑下動葉能量損失系數(shù)沿葉高的變化.在平衡孔孔徑φ=2 mm時(shí),級間根部處于“吸氣”狀態(tài);φ=6 mm、10 mm 時(shí),級間根部處于“漏氣”狀態(tài).從圖6中的曲線可以看出,平衡孔孔徑減小后動葉根部損失在增加.造成該變化的主要原因是在平衡孔孔徑為2mm時(shí),級間根部處于吸氣狀態(tài),由于吸入氣流干擾了主流的流動,引起氣流進(jìn)入動葉,使沖角損失及動葉根部二次流損失增加,并導(dǎo)致級效率下降;隨著平衡孔孔徑的增加,級間根部處于漏氣狀態(tài),靜葉出口根部低能流體的排出,減薄了根部進(jìn)入動葉的邊界層厚度,有利于改善動葉根部的端部流動,使端損下降而提高動葉效率和相應(yīng)的級效率.

圖6 動葉能量損失系數(shù)沿相對葉高的變化Fig.6 Distribution of rotor energy loss coefficient along blade height

3.2.5 平衡孔面積變化對根部反動度的影響

圖7為根部反動度隨平衡孔面積的變化.從圖7可以看出,無平衡孔時(shí)根部反動度最高,隨著平衡孔面積增大,根部反動度逐漸減小并在平衡孔總面積達(dá)到大于約3 000mm2后趨于常量.級間根部呈“吸氣”狀態(tài)時(shí)反動度變化率遠(yuǎn)大于級間根部呈“漏氣”狀態(tài)時(shí)的反動度變化率,這主要是由于級間根部“吸氣”時(shí)動葉流量增加、級間根部靜壓被抬高所致.

圖7 根部反動度隨平衡孔面積的變化Fig.7 Deg ree of reaction at root of blade varying w ith balance hole area

4 結(jié) 論

(1)在葉片流道設(shè)計(jì)一定的條件下要獲得較高級效率,盡可能減少隔板漏氣是關(guān)鍵;隔板漏氣是引起級間吸漏的主要原因.

(2)沖動級葉輪平衡孔的設(shè)計(jì)不可缺少,否則隔板漏氣全部吸入主流會造成級效率的較大下降.

(3)與無平衡孔的透平級相比,隨著平衡孔面積的增大,級效率逐漸提高;但面積增大至一定值后,平衡孔面積增大與平衡孔兩側(cè)壓差減小的效果相抵消,漏氣量增加極慢,級效率變化不明顯.

(4)在葉輪結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度許可的條件下,設(shè)計(jì)時(shí)平衡孔面積可盡量取大一些,以保證設(shè)計(jì)工況時(shí)級間根部保持不吸不漏或少量漏氣狀態(tài).機(jī)組運(yùn)行一段時(shí)間后隔板汽封間隙增大,平衡孔面積較大也有利于減小隔板漏氣量增加對級效率的影響作用.

(5)對于反動度較小的沖動級,要獲得最佳級間漏氣工況(相對漏氣量約-1%)是不太可能的.

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