超超臨界1 000 MW汽輪機(jī)雙流調(diào)節(jié)級(jí)氣動(dòng)性能研究

鐘剛云，王喜華，張鵬飛，周帥

(東方汽輪機(jī)有限公司，四川德陽，618000)

超超臨界1 000 MW汽輪機(jī)雙流調(diào)節(jié)級(jí)氣動(dòng)性能研究

鐘剛云，王喜華，張鵬飛，周帥

(東方汽輪機(jī)有限公司，四川德陽，618000)

文章采用CFD數(shù)值分析軟件完成了超超臨界1 000 MW汽輪機(jī)雙流調(diào)節(jié)級(jí)氣動(dòng)性能分析，分析對(duì)象包括雙流進(jìn)汽腔室、雙流調(diào)節(jié)級(jí)整圈、外部回流腔室、出口混流腔室全真幾何模型；分析結(jié)果表明在三閥、四閥工況下，該調(diào)節(jié)級(jí)進(jìn)汽腔室結(jié)構(gòu)壓損小，調(diào)節(jié)級(jí)氣動(dòng)性能優(yōu)良，能達(dá)到熱力設(shè)計(jì)目標(biāo)。

超超臨界1 000 MW汽輪機(jī)，雙流調(diào)節(jié)級(jí)，CFD全周模擬，凍結(jié)轉(zhuǎn)子法，非周期性，流動(dòng)特性，氣動(dòng)性能

0 引言

早期的汽輪機(jī)級(jí)數(shù)少，結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，沒有調(diào)節(jié)級(jí)的概念?，F(xiàn)在的汽輪機(jī)除了少量帶基本負(fù)荷的節(jié)流配汽的汽輪機(jī)外，大多數(shù)都帶有調(diào)節(jié)級(jí)，以此增加機(jī)組的負(fù)荷響應(yīng)性與部分負(fù)荷運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。隨著汽輪機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)與高溫材料技術(shù)的發(fā)展，國(guó)家節(jié)能政策的推行，高參數(shù)、大容量逐漸成為未來汽輪機(jī)發(fā)展的主流方向。對(duì)于噴嘴調(diào)節(jié)的機(jī)組而言，調(diào)節(jié)級(jí)葉片設(shè)計(jì)技術(shù)的高低制約機(jī)組參數(shù)、容量的提高。當(dāng)單流調(diào)節(jié)級(jí)不能滿足機(jī)組功率等級(jí)的增大要求時(shí)，雙流調(diào)節(jié)級(jí)應(yīng)運(yùn)而生，以此來降低更大功率單流調(diào)節(jié)級(jí)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，當(dāng)然同時(shí)引起更復(fù)雜的流動(dòng)問題，單流與雙流調(diào)節(jié)級(jí)示意圖見圖1。

圖1 單流與雙流調(diào)節(jié)級(jí)示意圖

由于部分進(jìn)氣度和小展弦比的存在，調(diào)節(jié)級(jí)流場(chǎng)非周期性、非均勻性強(qiáng)，動(dòng)葉通道內(nèi)二次流效應(yīng)非常明顯，流動(dòng)呈現(xiàn)強(qiáng)烈的三維特性，流場(chǎng)流動(dòng)特性復(fù)雜，效率低下［1］。調(diào)節(jié)級(jí)焓降高，就超超臨界1 000 MW汽輪機(jī)而言，調(diào)節(jié)級(jí)效率對(duì)高壓缸缸效率的影響見表1，其效率高低直接影響汽輪機(jī)的經(jīng)濟(jì)性。

表1 調(diào)節(jié)級(jí)效率對(duì)高壓缸缸效率的影響

為弄清超超臨界1 000 MW汽輪機(jī)雙流調(diào)節(jié)級(jí)性能與熱力設(shè)計(jì)目標(biāo)差異，本文以CFD的方法完成了超超臨界1 000 MW汽輪機(jī)雙流調(diào)節(jié)級(jí)氣動(dòng)性能分析，分析對(duì)象為包括雙流進(jìn)汽腔室、雙流調(diào)節(jié)級(jí)整圈、外部回流腔室、出口混流腔室全真幾何模型。

1 數(shù)值方法與計(jì)算分析模型

1.1 數(shù)值方法

本文采用CFX軟件完成數(shù)值分析，該軟件采用有限體積法 （FVM）求解三維粘性可壓縮非定常雷諾時(shí)均方程組，微分方程的離散選取了高精度二階格式。該軟件采用壓力校正法求解低速不可壓流動(dòng)，在可壓縮流動(dòng)中則采用耦合解法 （連續(xù)方程、動(dòng)量方程與能量方程聯(lián)立求解）求解［2］。湍流模型采用SST二方程模型，近壁面處理技術(shù)采用改進(jìn)壁面函數(shù)法 （Scalable Wall Functions），湍流模型的精度為高精度模式。

由于靜、動(dòng)交界面存在氣動(dòng)參數(shù)明顯不均勻，因此靜、動(dòng)葉間的連接采用了凍結(jié)轉(zhuǎn)子法 （Frozen Rotor）［3］，該方法避免了常規(guī)分析采用混合平面帶來的參混損失與氣動(dòng)參數(shù)的 “抹平”處理［4］，能實(shí)時(shí)考慮滑移界面兩側(cè)的所有瞬時(shí)相互作用的影響，相當(dāng)于瞬態(tài)轉(zhuǎn)子法 （Transient Rotor-Stator）的單一時(shí)刻求解，較為準(zhǔn)確地模擬出部分進(jìn)氣對(duì)調(diào)節(jié)級(jí)級(jí)段的氣動(dòng)影響。

本次分析包括雙流進(jìn)汽腔室、雙流調(diào)節(jié)級(jí)整圈、外部回流腔室、出口混流腔室同時(shí)求解，因此在網(wǎng)格生成方面采用了混合網(wǎng)格技術(shù)。雙流進(jìn)汽腔室、外部回流腔室、出口混流腔室由于幾何模型相對(duì)復(fù)雜，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格具有相當(dāng)大的難度，因此該部分網(wǎng)格生成采用了非結(jié)構(gòu)化的四面體網(wǎng)格，邊界層區(qū)域采用了棱柱形網(wǎng)格；葉片通道由于幾何形狀相對(duì)規(guī)則，因此采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格生成，具有較高的數(shù)值模擬精度。2種網(wǎng)格通過粘接在求解器內(nèi)耦合求解。

1.2 計(jì)算分析模型

本次分析為了具有較高的工程精度，因此在幾何模型方面盡量減少簡(jiǎn)化，同時(shí)在計(jì)算條件許可的情況下盡量加密網(wǎng)格，保證網(wǎng)格合適的密度。計(jì)算網(wǎng)格采用結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格耦合分析，總計(jì)算節(jié)點(diǎn)數(shù)是43 670 558，計(jì)算單元總數(shù)是51 188 935，計(jì)算分析在高性能計(jì)算服務(wù)器上進(jìn)行，耗費(fèi)內(nèi)存總量在70 G左右，耗時(shí)數(shù)月完成。

調(diào)節(jié)級(jí)三維模型見圖2，計(jì)算網(wǎng)格見圖3。

圖2 調(diào)節(jié)級(jí)計(jì)算模型

圖3 調(diào)節(jié)級(jí)計(jì)算網(wǎng)格

1.3 流體介質(zhì)與邊界條件

計(jì)算所取介質(zhì)為真實(shí)氣體 （水蒸汽），基于IAPWS IF97工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，水蒸汽參數(shù)由水蒸汽表求得。壁面邊界條件假定壁面絕熱、光滑且相對(duì)于葉片靜止。計(jì)算邊界條件給定進(jìn)口總溫、總壓和速度方向，出口給定流量，具體值見表2。

表2 計(jì)算邊界條件

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 流動(dòng)細(xì)節(jié)分析

本文研究了超超臨界1 000 MW汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級(jí)的三閥與四閥工況，圖4為調(diào)節(jié)級(jí)三維流線圖。從圖4可見，三閥點(diǎn)由于不進(jìn)汽弧段的存在，流動(dòng)的非均勻性明顯強(qiáng)于四閥工況。

圖4 調(diào)節(jié)級(jí)三維流線圖

圖5為進(jìn)汽腔室中徑處壓損與平面流線，三閥點(diǎn)由于四閥關(guān)閉，其對(duì)應(yīng)弧段為大漩渦高損失流動(dòng)區(qū)，其總壓損失超過20%，腔室1由于流量大，壓損偏高，部分區(qū)域壓損超過1%，腔室2、3的壓損偏小，主流區(qū)域皆小于0.5%。四閥工況閥門全開，沒有三閥點(diǎn)那樣的大漩渦高損失區(qū)，但漩渦流動(dòng)仍然存在，腔室1、4由于流量大，壓損偏高，有超過1%壓損的流動(dòng)區(qū)域，腔室2、3的流動(dòng)與三閥點(diǎn)類似，壓損偏小，主流區(qū)域皆小于0.5%。

圖5 進(jìn)汽腔室中徑處壓損與平面流線

圖6為動(dòng)葉出口后回流與混流腔室的特征面壓損系數(shù)分布云圖，三閥點(diǎn)大部分區(qū)域的壓損系數(shù)高于2%，不進(jìn)汽弧段更為明顯，而四閥點(diǎn)的大部分區(qū)域的壓損系數(shù)在1%以下。

圖6 回流與混流腔室特征面壓損與平面流線

圖6中回流與混流腔室中的流動(dòng)以大尺度的漩渦流動(dòng)為主，其損失很高，其壓損系數(shù)的平均水平超過進(jìn)汽腔室中的壓損系數(shù)。

2.2 總體性能對(duì)比分析

通過處理得到了超超臨界1 000 MW汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級(jí)2個(gè)工況下的進(jìn)汽室壓損，其結(jié)果見表3。從表3的計(jì)算結(jié)果來看，2個(gè)工況的進(jìn)汽室壓損都處于較低的水平，汽機(jī)側(cè)與電機(jī)側(cè)有少許的不同，其壓損系數(shù)為0.2%～0.3%，該類單流腔室壓損一般在1%左右，因此，超超臨界1 000 MW汽輪機(jī)雙流調(diào)節(jié)級(jí)的進(jìn)汽腔室的設(shè)計(jì)是非常成功的。

表3 進(jìn)汽室壓損

采用周期性邊界條件計(jì)算得到的調(diào)節(jié)級(jí)性能見表4。從表4可見，單通道計(jì)算的THA（三閥點(diǎn)）與VWO（四閥點(diǎn)）調(diào)節(jié)級(jí)設(shè)計(jì)效率差約3.61%。

表4 周期性邊界條件調(diào)節(jié)級(jí)計(jì)算性能

本文的分析方法得到的超超臨界1 000 MW汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級(jí)效率見表5。從表5的計(jì)算結(jié)果來看，到動(dòng)葉出口，四閥點(diǎn)的效率比三閥點(diǎn)高3%左右，但到了腔室出口，其效率差降到了1%左右，總結(jié)原因應(yīng)該是腔室出口面積設(shè)計(jì)不合理，使得動(dòng)葉出口的混合損失四閥點(diǎn)大于三閥點(diǎn)，具有一定的優(yōu)化潛力。

表5 本文方法得到的調(diào)節(jié)級(jí)計(jì)算性能

從表5還可以發(fā)現(xiàn)，汽機(jī)側(cè)、電機(jī)側(cè)調(diào)節(jié)級(jí)效率相差較小，約為0.1%。對(duì)比表4、表5，得到周期性邊界條件，本文計(jì)算方法得到的超超臨界1 000 MW汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級(jí)效率差見表6。

表6 不同方法計(jì)算調(diào)節(jié)級(jí)效率偏差

對(duì)于常規(guī)設(shè)計(jì)的大功率汽輪機(jī)組，與超超臨界1 000 MW汽輪機(jī)雙流調(diào)節(jié)級(jí)部分進(jìn)汽度相似、葉高相似的單流調(diào)節(jié)級(jí)，部分進(jìn)汽損失三閥點(diǎn)要大于四閥點(diǎn)2%～3%，三閥點(diǎn)與四閥點(diǎn)的調(diào)節(jié)級(jí)級(jí)段效率差值在10%左右，引起的缸效率偏差約在2.5%。從表6可見，超超臨界1 000 MW汽輪機(jī)雙流調(diào)節(jié)級(jí)部分進(jìn)汽損失與單流調(diào)節(jié)級(jí)基本一致，但是調(diào)節(jié)級(jí)經(jīng)過工況優(yōu)化，四閥點(diǎn)與三閥點(diǎn)的效率偏差大幅減小，與傳統(tǒng)單流調(diào)節(jié)級(jí)相比，其設(shè)計(jì)點(diǎn)效率更高，高效運(yùn)行區(qū)間的區(qū)域更廣。

本文的另一個(gè)目的是對(duì)比超超臨界1 000 MW汽輪機(jī)雙流調(diào)節(jié)級(jí)效率和熱力設(shè)計(jì)目標(biāo)之間的差異，以三閥點(diǎn)為例，本文得到的調(diào)節(jié)級(jí)效率和熱力設(shè)計(jì)目標(biāo)之間還有7%左右的余量，見表7，考慮汽封對(duì)效率的影響在2%～3%，考慮上限，本文得到的效率可以滿足熱力的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

表7 調(diào)節(jié)級(jí)級(jí)性能差異

3 結(jié)論

應(yīng)用先進(jìn)的CFD分析技術(shù)完成了超超臨界1 000 MW汽輪機(jī)雙流調(diào)節(jié)級(jí)氣動(dòng)性能分析，分析結(jié)果顯示該雙流調(diào)節(jié)級(jí)進(jìn)汽腔室設(shè)計(jì)合理，壓損系數(shù)低于傳統(tǒng)特征近似的單流調(diào)節(jié)級(jí)進(jìn)汽腔室壓損；雙流調(diào)節(jié)級(jí)部分進(jìn)汽損失與單流調(diào)節(jié)級(jí)相似，通過工況優(yōu)化，其設(shè)計(jì)點(diǎn)效率更高，高效運(yùn)行區(qū)間的區(qū)域更廣；四閥點(diǎn)動(dòng)葉出口到混合腔室出口的壓損較高，混流腔室的有優(yōu)化的潛力；通過與熱力結(jié)果對(duì)比，表明該調(diào)節(jié)級(jí)設(shè)計(jì)效率較高，可以達(dá)到熱力設(shè)計(jì)目標(biāo)。

[1]舒士甄,朱力,柯玄齡,等.葉輪機(jī)械原理[M].北京:清華大學(xué)出版社,1991

[2]YAO Zheng,CHEN Kang-Ming.Review on the commercial CFD software[J].University of Shanghai for Science and Technology,Vol.24 No.2 2002

[3]CFX-TASCflow User Documentation Version 2.10,AEA Technology Engineering Software Limited Waterloo,Ontario,Canada N2L 5Z4

[4]Denton J.D.,A time marching method for two and three dimensional blade-to-blade flows,Marchmood Engineering Laboratories Report R/M/R215

Investigation on Aerodynamic Performance of Double-flow Controlling Stages for Ultra-supercritical 1 000 MW Turbine

Zhong Gangyun，Wang Xihua，Zhang Pengfei，Zhou Shuai
（Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

In this paper,aerodynamic performance of double-flow controlling stages for ultra-supercritical 1 000 MW turbine which includes inlet chamber,controlling stages,outsider of the reverse flow chamber and export mixed flow chamber was investigated by using CFD software.The analysis result shows that the loss of total pressure in inlet chamber was lower under operation condition, the high aerodynamic performance of controlling stages could achieve the goal of thermodynamic design.

ultra-supercritical 1 000 MW turbine,double-flow controlling stages,full-passage CFD simulation,frozen rotor,nonperiodic,flow characteristic,aerodynamic performance

TK262

A

1674-9987（2015）03-0009-05

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2015.03.003

鐘剛云 （1976-），男，本科，高級(jí)工程師，1999年畢業(yè)于西北工業(yè)大學(xué)，現(xiàn)從事汽輪機(jī)通流葉片設(shè)計(jì)工作。