汽輪機(jī)葉型的三維數(shù)值模擬及優(yōu)化

周俊杰，王梅玲，郭朋飛，王定標(biāo)

(鄭州大學(xué) 化工與能源學(xué)院，河南 鄭州 450001)

汽輪機(jī)葉型的三維數(shù)值模擬及優(yōu)化

周俊杰，王梅玲，郭朋飛，王定標(biāo)

(鄭州大學(xué) 化工與能源學(xué)院，河南 鄭州 450001)

以25 MW凝氣式汽輪機(jī)的某級葉片為研究對象，利用ANSYS Workbench平臺中的旋轉(zhuǎn)機(jī)械分析系統(tǒng)對該級葉片進(jìn)行了靜、動聯(lián)合三維數(shù)值模擬優(yōu)化.結(jié)果表明，優(yōu)化后葉片壓力系數(shù)分布較好，降低了葉片表面壓差分布，有效控制徑向二次流損失；總壓損失系數(shù)有所減小，平均總壓損失系數(shù)降低1 %；等熵效率由原來的92.099%提高至93.157%.優(yōu)化后的葉型明顯提高了氣動性能，降低葉型能量損失，增加了汽輪機(jī)效率.

汽輪機(jī)；葉片；氣動性能；數(shù)值模擬

0 引言

汽輪機(jī)是一種以過熱蒸汽為動力，并將蒸汽的熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的旋轉(zhuǎn)機(jī)械.設(shè)計高性能的蒸汽輪機(jī)，是目前葉輪機(jī)械領(lǐng)域技術(shù)研發(fā)的重要目標(biāo).汽輪機(jī)級內(nèi)損失主要有型線損失、漏氣損失、濕氣損失、鼓風(fēng)摩擦損失等[1].

在國內(nèi)汽輪機(jī)的設(shè)計中，目前更多的是應(yīng)用CFD軟件為主，輔以必要的實驗對現(xiàn)有葉片進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，從而節(jié)省經(jīng)費和減少研制時間.MHI公司利用CFD軟件對165 MW汽輪機(jī)葉片和汽封進(jìn)行優(yōu)化，最終得到性能良好的低壓級葉片和汽封[2].岳國強(qiáng)等[3]對兩套具有不同前緣直徑和分布的葉柵進(jìn)行對比吹風(fēng)試驗，結(jié)果表明選擇適當(dāng)?shù)那昂缶壷睆郊昂侠砥ヅ涑隹谀鎵憾伍L度與逆壓梯度值，可以有效地減少葉柵的二次流損失.薛彥光[4]利用CFX對300 MW汽輪機(jī)高壓級靜葉柵流場進(jìn)行數(shù)值模擬，并分析了葉柵通道二次流發(fā)展特點.崔海濤[5]、王定標(biāo)等[6]對汽輪機(jī)進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，并根據(jù)模擬結(jié)果對葉片進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計.

筆者主要借助ANSYS Workbench平臺中的旋轉(zhuǎn)機(jī)械分析系統(tǒng)軟件，分析葉片間內(nèi)流體的流動，研究葉型對流道內(nèi)流體的影響，從而實現(xiàn)葉型優(yōu)化，減少級能量損失，提高汽輪機(jī)效率.

1 數(shù)學(xué)物理模型

1.1 物理模型

研究對象為軸流式25 MW凝氣式汽輪機(jī)某級葉片，氣動分析時只考慮單靜葉、單動葉結(jié)構(gòu).表1為葉片物理結(jié)構(gòu)詳細(xì)參數(shù)，圖1為汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)圖.

圖1 汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of steam turbine

1.2 數(shù)學(xué)模型

汽輪機(jī)葉片間流動通道內(nèi)的流動滿足質(zhì)量、動量以及能量守恒方程.

質(zhì)量守恒方程[7-8]：

(1)

動量方程：

(2)

式中:ρ為密度；t為時間；ui,uj分別為i方向、j方向上的速度；τij為黏性應(yīng)力.

能量方程：

(3)

式中:Cp為比熱容；T為溫度；最后一項表示其他形式導(dǎo)入的能量.

1.3 網(wǎng)格劃分及邊界條件

筆者模擬汽輪機(jī)級內(nèi)的流動性能，為了取消前、后級對該級性能的影響，保證流場的穩(wěn)定性，分別對靜、動葉的前后端均作適當(dāng)?shù)难娱L處理.采用H/J/C/L-Grid拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，生成網(wǎng)格后的節(jié)點總數(shù)為120 000.圖2(a)為計算流道三維模型圖，圖2(b)為計算區(qū)域網(wǎng)格示意圖.

表1 葉型安裝參數(shù)Tab.1 Parameters of blade

(a)計算流道三維模型 (b)計算區(qū)域網(wǎng)格示意圖 圖2 計算及網(wǎng)格模型Fig.2 Computation and Mesh model

選用P-Total Inlet P-Static Outlet模式的邊界條件、Frozen Rotor交界面模式，來流方向垂直于進(jìn)口截面.具體參數(shù)設(shè)置為：進(jìn)口總壓0.088 9 MPa，出口靜壓0.050 99 MPa，進(jìn)口總溫369.5 K.

1.4 工質(zhì)屬性

為更好地模擬實際狀況，這里采用平衡態(tài)的水蒸氣.首先在CFX中分別創(chuàng)建單相水和水蒸氣，然后再通過設(shè)置參數(shù)的方式建立平衡態(tài)的水蒸氣，定義單相水和水蒸氣的最高溫度為500 K，最低壓力為0.01 MPa，最高壓力為0.45 MPa，最大點數(shù)為100，定義單相水最低溫度為250 K，水蒸氣的最低溫度為273.15 K.

2 計算結(jié)果分析

2.1 葉型表面靜壓系數(shù)分析

葉片表面靜壓系數(shù)計算表達(dá)式為

(4)

圖3為原始工況下靜、動葉片的壓力系數(shù)分布曲線圖.由圖可以看出，在靜葉0～0.8軸向位置處，優(yōu)化葉型壓力面上的壓力與原始葉型基本一致，而吸力面壓力比原始葉型大.因此優(yōu)化后葉型在0～0.8軸向弦長處表面壓差減小，有利于二次流損失的降低；0.8～0.9弦長處，原始葉型吸力面發(fā)生較為劇烈的擴(kuò)壓，而優(yōu)化葉型則出現(xiàn)了壓力平緩區(qū)，優(yōu)化葉型壓力面上的壓力比原始葉型略有增加；0.9～1軸向弦長處，優(yōu)化葉型與原始葉型吸力面均出現(xiàn)了擴(kuò)壓，壓力面上壓力基本重合.由圖可知，優(yōu)化后葉片吸力面的壓力系數(shù)曲線比較平緩，有利于葉片氣動負(fù)荷的減小，提高汽輪機(jī)級效率.

圖3 葉片表面壓力系數(shù)分布Fig.3 The pressure coefficient of blade

優(yōu)化后動葉壓力面的壓力系數(shù)與原始葉片趨勢相同，數(shù)值有所增加；吸力面上，原始葉片壓力系數(shù)在0～0.45軸向弦長處基本處于擴(kuò)壓趨勢，只在0.45～0.55弦長處平穩(wěn)降低，然后又出現(xiàn)擴(kuò)壓現(xiàn)象；優(yōu)化葉片吸力面上壓力在0～0.8弦長處均呈下降趨勢，轉(zhuǎn)捩點由0.7推遲至0.8，減小擴(kuò)壓區(qū)區(qū)域，有利于減小葉型損失.

2.2 靜葉表面壓力分布

圖4給出了優(yōu)化前后靜葉吸力面壓力分布云圖.從圖中可以看出，優(yōu)化后葉片表面的壓力比原始葉型壓力大；靜葉中部壓力降較原始葉型的小，有利于減小徑向二次流損失.

圖4 靜葉吸力面上壓力分布圖Fig.4 The pressure distribution in the suction of stator

2.3 葉片子午面速度分布

圖5給出了優(yōu)化前后葉片子午面上速度分布圖.從圖中可以看出，優(yōu)化后葉片速度明顯增大，大大增加了葉片的做功能力，且葉型優(yōu)化后，動葉頂部出口截面上速度小于原始葉型，有利于葉片余速損失的降低.

圖5 葉片子午面上速度分布圖Fig.5 Meridian velocity contours in meridian view

2.4 總壓損失系數(shù)W

總壓損失系數(shù)與汽輪機(jī)級內(nèi)能量損失系數(shù)一一對應(yīng)，因此可以采用W來表示葉柵的能量損失.定義表達(dá)式為

(5)

圖6表示靜葉柵總壓損失系數(shù)沿葉高分布情況.從圖中可以看出，葉柵總壓損失沿葉高呈現(xiàn)增大趨勢，優(yōu)化后葉型總壓損失在整個葉片范圍處均比原始葉型小.在50%葉高處葉型總壓損失系數(shù)由原來的6.5%降至5.5%，說明葉型優(yōu)化后該級級內(nèi)損失較小.

圖6 靜葉總壓損失系數(shù)沿葉高分布曲線Fig.6 Total pressure loss coefficient in stator along span normalized

2.5 等熵效率ηi

等熵效率扣除了級內(nèi)存在的所有能量損失，反應(yīng)了級內(nèi)蒸汽實際做功能力，即

(6)

圖7為沿流線方向等熵效率分布曲線.由圖7可以看出，優(yōu)化后靜葉等熵效率基本與原始葉型一致，在0.8～1弦長處有所增加；等熵效率在動葉前緣處較低，說明損失主要發(fā)生在動葉前緣處，經(jīng)過優(yōu)化，動葉前緣處等熵效率較原始葉型有所增加，而在0.3～0.5動葉弦長處優(yōu)化葉型較原始葉型等熵效率反而下降，之后又有增加，葉型優(yōu)化后出口等熵效率由原來的92.099%提高至93.175%.

圖7 沿流線方向等熵效率分布Fig.7 Distribution of isentropic efficiency along streamwise location

圖8為等熵效率沿葉高分布曲線，從圖中可以看出，靜葉的等熵效率在葉根和葉頂處較低，說明在葉根和葉頂處葉柵損失較大.優(yōu)化后葉型等熵效率只在葉根處較原始葉型低，但是在0.2～1葉高處等熵效率均有所增加.動葉等熵效率較靜葉小，說明動葉中損失比較嚴(yán)重，葉型優(yōu)化后等熵效率在葉根至0.4葉高處比原始葉型小，而在0.4至葉頂處比原始葉型處大，可以考慮采用變截面葉型來減小損失，提高葉型效率.圖9為型線優(yōu)化前后對比.

圖8 等熵效率沿葉高分布曲線Fig.8 Distribution of isentropic efficiency along span normalized

圖9 優(yōu)化前后型線Fig.9 Blade line before and after optimization

3 結(jié)論

(1)優(yōu)化葉型壓力面上的壓力與原始葉型基本一致，而吸力面上壓力比原始葉型大，但中部壓力降較??；動葉區(qū)域速度明顯增大，動葉頂部出口截面上速度略小于原始葉型，有利于降低葉片余速損失，增加葉片做功能力.

(2)靜葉總壓損失系數(shù)沿葉高逐漸增加，通過優(yōu)化，靜葉總壓損失系數(shù)下降1%.

(3)靜葉的等熵效率在葉根和葉頂處較低，優(yōu)化后葉型等熵效率在葉根處較原始葉型低，但是在0.2～1葉高處均增加.動葉葉型優(yōu)化后等熵效率在0～0.4葉高處比原始葉型小，而在此范圍之外大于原始葉型.優(yōu)化后級內(nèi)等熵效率由原來的92.099%增加至93.157%.

[1] 雷風(fēng)林.汽輪機(jī)末級變工況性能研究與流道改進(jìn)設(shè)計[D] .鄭州:鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院,2010.

[2] WATANABE E, TANAKA Y, NAKANO T, et al. Development of new high efficiency steam turbine[J]. Mitsubishi Heavy Ind. Tech. Rev, 2003,40(4):1-6.

[3] 岳國強(qiáng),李殿璽,韓萬金,等.兩套后部加載葉柵的對比實驗研究[J].熱能動力工程,2005, 20(2):125-129.

[4] 薛彥光.汽輪機(jī)級內(nèi)二次流的數(shù)值模擬[D].吉林:東北電力大學(xué)能源與動力工程學(xué)院,2012.

[5] 崔海濤.汽輪機(jī)內(nèi)部流場數(shù)值模擬及葉片改進(jìn)優(yōu)化[D].大連:大連理工大學(xué)能源與動力學(xué)院,2006.

[6] 王定標(biāo),雷風(fēng)林,向颯,等.汽輪機(jī)末級變工況三維數(shù)值模擬與葉型改進(jìn)設(shè)計[J].鄭州大學(xué)學(xué)報:工學(xué)版,2010,31(5):1-4.

[7] 王福軍.計算流體動力學(xué)分析[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004.

[8] 陶文銓.數(shù)值傳熱學(xué)[M].西安:西安交通大學(xué)出版社, 2001.

Three-Dimensional Numerical Simulation and Optimization of Steam Turbine Blade

ZHOU Jun-jie, WANG Mei-ling, GUO Peng-fei, WANG Ding-biao

(School of Chemical Engineering & Energy, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China)

The three-dimensional numerical simulation and optimization of the last stage of a 25 MW condensable steam turbine are conducted by using ANSYS Workbench, a platform of analysis system specially for the rotating machinery. The results show that the modified blade has a better pressure coefficient distribution, reduces the differential pressure distribution of blade surface, effectively controls the radial secondary flow losses. Total pressure loss coefficient is reduced, and the average total pressure loss coefficient is reduced by 1 %. Isentropic efficiency increases from 92.099 % to 93.157 %. After optimization, the aerodynamic performance of the blade increases obviously, the energy loss in the blade is reduced and the efficiency of steam turbine increases.

steam turbine; blade; aerodynamic performance; numerical simulation

2014-08-07；

2014-11-10

國家自然科學(xué)基金資助項目(51276173)

周俊杰(1974-)，男，河南太康人，鄭州大學(xué)副教授，博士，主要研究方向為數(shù)值計算技術(shù)及其在過程設(shè)備中的應(yīng)用，E-mail:zhoujj@zzu.edu.cn.

1671-6833(2015)01-0049-05

TK26

A

10.3969/j.issn.1671-6833.2015.01.012