汽輪機部分進汽調節(jié)級三維流場數值研究

陳遠東

（北京龍威發(fā)電技術有限公司，北京 100044）

汽輪機部分進汽調節(jié)級三維流場數值研究

陳遠東

（北京龍威發(fā)電技術有限公司，北京 100044）

使用NUMECA軟件，采用三維黏性數值模擬方法分別對蒸汽室和調節(jié)級部分進汽條件下調節(jié)級內部流動進行數值分析。研究發(fā)現，由于結構限制，蒸汽室內部流動紊亂，流動損失較大，而且部分進汽結構調節(jié)級存在較大的弧段損失和鼓風損失，導致調節(jié)效率低下。

汽輪機；調節(jié)級；部分進汽；數值計算

0 引言

隨著用戶對電力需求的變化以及我國電力行業(yè)結構的改革，電站汽輪機參與電網調峰而經常處于變工況運行狀態(tài)［1-3］。目前，汽輪機配汽方式主要有2種：噴嘴配汽和節(jié)流配汽。噴嘴配汽汽輪機的變工況運行是通過調節(jié)級來實現的，調節(jié)級一般處于部分進汽狀態(tài)，部分進汽導致調節(jié)級內各汽動參數圓周方向存在非均勻，內部流動效率低下［4-5］，開展汽輪機部分進汽調節(jié)級性能研究，分析其損失機制，能夠為大功率汽輪機的熱力氣動性能和動力學設計提供理論支持。

國內外許多學者對部分進汽調節(jié)級進行了多方面研究。文獻［1］對部分進汽調節(jié)級各種損失的機制做了細致分析。文獻［6-10］不僅對調節(jié)級部分進汽相關機制進行了理論研究，而且對其進行了試驗研究和數值計算，分析了不同截面處靜壓以及熵沿周向分布情況，結果吻合良好。文獻［11］對某200MW汽輪機部分進汽調節(jié)級的二維數值模擬。文獻［12］對汽輪機調節(jié)級的部分進汽狀況進行了二維數值模擬。文獻［13］對調節(jié)級的三維非定常流動進行了1／4環(huán)面的數值研究。

為進一步了解部分進汽調節(jié)級內部流動機制，本文采用NUMECA軟件對某型汽輪機蒸汽室和部分進汽調節(jié)級數值模擬，詳細分析其流場氣動狀況，找出其主要損失源，從而為調節(jié)級優(yōu)化設計提供依據。

1 數值方法

1.1 計算模型說明

本文研究的對象如圖1所示，調節(jié)級噴嘴組每個弧段和1個蒸汽室相連，具體參數見表1。該調節(jié)級部分進汽結構共4個弧段，每個弧段汽道數為30，共120個汽道，圓周當量汽道為138，4個閥門全開部分進汽度為0.869 5（120／138），額定工況下，3個閥門全開，部分進汽度為0.6521（90／138）。

圖1 研究對象

表1 調節(jié)級部分幾何參數

本文采用數值模擬方式研究該調節(jié)級額定工況下氣動熱力性能。額定工況下調節(jié)級開啟3個閥門，高溫、高壓蒸汽首先經過蒸汽室腔室，再進入噴嘴組弧段對調節(jié)級做功。由于研究對象幾何尺寸較大，將研究對象分成蒸汽室計算域和調節(jié)級計算域。由于蒸汽室是相互對稱的，因此其內部流場也是相同的。為減少計算量，只為一個蒸汽室進行計算，為保證計算收斂，在蒸汽室出口添加一個延伸段，如圖2所示。調節(jié)級采用全周為計算域，額定工況下調節(jié)級噴嘴組3個弧段開啟，另一個弧段關閉，計算域模型如圖3所示。

圖2 蒸汽室計算域

圖3 調節(jié)級全周計算域

1.2 計算方法及邊界條件

采用商業(yè)軟件NUMECA對蒸汽室和調節(jié)級三維黏性定常流場進行模擬。空間離散采用中心差分格式輔助人工黏性項，四步Rung-Kutta法進行時間推進迭代求解，全多重網格法、局部時間步法和隱式殘差光順加速迭代收斂，湍流模型選擇低雷諾數Spalart-Allmaras模型。靜葉／動葉交界面采用轉子凍結法處理，工質選擇可凝結水蒸氣。

蒸汽室進口給定均勻總溫和總壓，進汽方向垂直于進口平面，見表2。進口總壓即等于主汽門前蒸汽額定壓力減去主汽門、調門及進汽管道的壓損，約為15.76MPa?？倻丶礊橹髌T前蒸汽額定溫度808.15K。蒸汽室出口給定流量，調節(jié)級額定流量為262.300 kg／s，平均分配到3個蒸汽室，每個蒸汽室的流量為87.437 kg／s。

表2 蒸汽室部分性能參數

調節(jié)級進口總溫、總壓按照計算模擬的蒸汽室出口總溫、總壓給定，出口給定質量流量為262.300 kg／s，轉子轉速為3000 r／min。

蒸汽室和調節(jié)級計算域所有固壁均為無滑移固壁絕熱條件。

1.3 網格劃分

采用結構化網格生成器IGG進行蒸汽室網格劃分，如圖4所示。進汽管道和汽室均采用碟形網格，延伸段采用H型網格，進氣管道和汽室采用FNMB連接，網格總數為79萬。

圖4 蒸汽室三維網格

調節(jié)級采用結構化網格自動生成器Autogrid5進行單通道網格的劃分，如圖5所示。單通道網格劃分完成以后，在IGG進行通道復制，靜子流道包括3個弧段，共90個通道，轉子區(qū)域共80個弧段。由于計算時交界面處理采用轉子凍結法，因此要求交界面上下游的周期相同。上游靜子區(qū)域只包括3個弧段，并沒有覆蓋全周，下游轉子區(qū)域包含整周，因此在靜子出口面和轉子進口面的軸向間隙處增加一個過渡段，此過渡段上游面與三弧段靜子區(qū)域完全匹配連接，下游面作為交界面的上游，如圖3所示。

圖5 調節(jié)級通道三維網格

調節(jié)級網格拓撲結構采用O4H型結構。在網格生成過程中，考慮黏性流場計算中低雷諾數湍流模型的應用，捕捉近壁面湍流附面層流動的詳細流動特征，加密靠近壁面的網格，近壁面第1層網格距離固壁距離取0.003mm，將y+值控制在一定的低雷諾數湍流模型要求的范圍之內。計算結果表明，壁面絕大部分區(qū)域y+＜20，流道區(qū)域y+＜10。

2 計算結果分析

本文計算模型包括蒸汽室和調節(jié)級葉柵通道，為了使結果說明更加清晰，下面分別對蒸汽室和調節(jié)級葉柵通道進行描述。

2.1 蒸汽室內部流動分析

表2顯示的是蒸汽室部分性能參數。汽流經過蒸汽室，總壓和總溫都有所降低，計算得到蒸汽室出口平均壓力為15.70MPa，溫度為807.90 K，蒸汽在蒸汽室內部流動損失總壓60 kPa，總溫損失0.25K，其中總壓恢復系數為99.6%，這是由于蒸汽室流場存在較大的漩渦區(qū)。

圖6顯示的是蒸汽室縱切面靜壓力分布。從圖6可以看出，在進口轉向出口時，由于截面收縮，汽流經過蒸汽室后壓力降低，速度升高，在出口面上出現漩渦區(qū)，加上延伸段后可以覆蓋整個漩渦區(qū)，從而保證計算收斂。圖7顯示的是蒸汽室橫切面靜壓分布，蒸汽室上部和蒸汽室下部分別形成2個漩渦區(qū)。上區(qū)主要是由于汽流與蒸汽室上部固壁對沖產生漩渦，汽流動能較大，壓力較高。在蒸汽室下部靠近壁面處由于與噴嘴組聯通不暢，該處速度較低，流體可以近似看成滯止，形成局部高壓區(qū)。整個下區(qū)流線分布比較雜亂，存在大量漩渦，漩渦形成主要是由于在這個區(qū)域形成了“死區(qū)”，主汽流對這個區(qū)域存在一個抽吸效應，壓力較低；此外，該區(qū)汽流動能低，損失較大，而且越到漩渦中心損失越大。

圖6 蒸汽室縱切面靜壓分布

圖8顯示的是蒸汽室出口面上的總壓分布。圖9顯示了蒸汽室出口面上的總溫分布，圖中顯示下半區(qū)的總壓損失較大，總溫局部降低，這是由于該區(qū)存在較大的漩渦區(qū)（對應于圖7）。

2.2 調節(jié)級葉柵通道流動分析

調節(jié)級噴嘴組有4個弧段，額定工況下，調節(jié)級噴嘴組開啟3個弧段，分別和3個蒸汽室相通，另一個弧段關閉，但弧段仍然和對應的蒸汽室相連通，但該蒸汽室無蒸汽來流，所以此弧段在計算區(qū)域中沒有顯示，如圖2所示。由于該調節(jié)級存在部分進汽度，噴嘴弧段與弧段之間有隔段，關閉的弧段和隔段都被稱作堵塞區(qū)。

圖7 蒸汽室橫切面靜壓分布

圖8 蒸汽室出口面總壓分布

圖9 蒸汽室出口面總溫分布

表3顯示的是各項總體性能參數的時間平均值。等熵效率時均值為0.534，進、出口流量幾乎一致。出口靜壓時均值為12209972Pa，和額定工況下的出口靜壓完全一致。全周計算數值模擬，從總體參數來看，計算可以反映額定工況下調節(jié)級內的真實流動狀態(tài)。

表3 調節(jié)級總體性能參數

圖10、圖11分別顯示的是靜子出口面（交界面上游）上絕對總壓云圖和熵云圖分布情況。從圖10可以看出，弧段4壓力較大，個別噴嘴弧段之間隔斷區(qū)域壓力波動。從圖11中熵的分布可以看出，弧段4熵增最大。由于該區(qū)為堵塞區(qū)，堵塞區(qū)內汽流流動不暢，擾動比較大，能量損失大，熵比較大，這是部分進汽特有的弧段損失和鼓風損失。由于動葉的旋轉，弧段內的汽流損失沿周向非均勻性，堵塞區(qū)這種擾動對葉柵通道內的流動具有一定的影響，這種影響還會衍生到下游壓力級區(qū)域。

圖10 靜子出口截面絕對總壓分布

圖11 靜子出口截面熵分布

由于調節(jié)級靜葉和動葉片展弦比較小，從葉根到葉頂流動特性基本相似，現選取中經截面為對象分析流場的流動機制。圖12顯示的是調節(jié)級葉柵通道中徑截面的靜壓分布云圖，圖13為中徑截面熵分布云圖。

圖12 中徑截面靜壓分布

圖13 中徑截面熵分布

從圖12中可以看出，在噴嘴組（弧段1、弧段2、弧段3）流向所對應的動葉通道內部，動葉壓力面壓力明顯高于動葉吸力面壓力，周向壓力梯度明顯，高溫高壓蒸汽對動葉正功；而在堵塞區(qū)（弧段1～3之間的隔段），動葉通道壓力面和吸力面壓力幾乎相等，周向壓力梯度減小，內部流體相對滯止；動葉旋轉到該堵塞區(qū)，動葉中蒸汽極短時間內被抽走，會造成壓力急劇降低，隨著動葉繼續(xù)旋轉，在動葉進入剛剛離開堵塞區(qū)時，由于動葉中滯留的蒸汽與上游來流的阻擋作用，造成汽流靜壓迅速回升，當動葉通道中相對滯止的蒸汽排除后，汽流的靜壓又慢慢下降；弧段4處，由于此噴嘴組弧段關閉，上游無蒸汽進入動葉，表現出明顯的軸向壓力梯度，隨著動葉的旋轉，動葉對此處葉片通道滯留的蒸汽做功，使得此處的蒸汽壓力大幅度升高，這就是汽輪機部分進汽調節(jié)級中常見的鼓風損失，鼓風損失存在于整個堵塞區(qū)后的動葉通道中，鼓風損失是調節(jié)級效率低下的一個主要原因。

從圖13中熵的分布來看，高損失區(qū)主要集中在轉子區(qū)的弧段4和弧段與弧段之間的隔斷區(qū)，由于其上流沒有流體流出，該區(qū)域內充滿大量的低速湍流團，因此損失很大，和圖12分析一致。

3 結論

本文基于三維黏性可壓縮N-S方程，對某型汽輪機部分進汽調節(jié)級的三維流場進行了詳細分析，研究得到以下結論。

（1）由于該型汽輪機調節(jié)級蒸汽室內部結構限制，流動比較紊亂，存在較大的流動損失，合理改進蒸汽室結構可以提高調節(jié)級進口總溫、總壓，從而提高調節(jié)級效率。

（2）額定工況工作時，部分進汽調節(jié)級等熵效率為53.4%，調節(jié)級效率低下，其部分進汽結構使得流場產生大量的弧段損失和鼓風損失，這是該調節(jié)級的主要損失來源。

（3）調節(jié)級葉柵周向變化較大，在非堵塞區(qū)，調節(jié)級動葉壓力面壓力明顯高于動葉吸力面壓力，周向壓力梯度明顯，高溫高壓蒸汽對動葉做功。

（4）動葉旋轉剛進入到該堵塞區(qū)時，動葉通道壓力面和吸力面壓力幾乎相等，周向壓力梯度減小，內部流體相對滯止，動葉中蒸汽極短時間內被抽走，會造成壓力急劇降低，隨著動葉繼續(xù)旋轉，在動葉剛進入非堵塞區(qū)時，由于動葉中滯留的蒸汽與上游來流阻擋作用，造成汽流靜壓迅速回升，當動葉通道中相對滯止的蒸汽排除后，汽流的靜壓又慢慢下降。

（5）由于調節(jié)級部分進汽存在，上游無蒸汽進入動葉，表現出明顯的軸向壓力梯度，由于動葉的旋轉，動葉對此處葉片通道滯留的蒸汽做功，使得此處的蒸汽壓力大幅度升高，這就是汽輪機部分進汽調節(jié)級中常見的鼓風損失，鼓風損失存在于整個堵塞區(qū)后的動葉通道中，是調節(jié)級效率低下的一個主要原因。

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（本文責編：白銀雷）

TK 262

A

1674-1951（2015）08-0001-05

陳遠東（1982—），男，湖北廣水人，工程師，工學碩士，從事葉輪機氣體動力學方面的研究（E-mail：chenyuandong＠longwei.cn）。

2015-01-15；

2015-06-19