某超超臨界汽輪機高壓進汽腔整圈斜置靜葉的數(shù)值仿真

楊建，牛茂升，郭棟，竺曉程，杜朝輝

1中國艦船研究設計中心，上海2011082上海交通大學機械與動力工程學院，上海200240

某超超臨界汽輪機高壓進汽腔整圈斜置靜葉的數(shù)值仿真

楊建1，牛茂升1，郭棟1，竺曉程2，杜朝輝2

1中國艦船研究設計中心，上海201108
2上海交通大學機械與動力工程學院，上海200240

針對某超超臨界汽輪機組，通過CFX數(shù)值軟件模擬了汽輪機組進汽道及斜置靜葉通道內(nèi)部的流動情況。通過對內(nèi)部流場的分析，可以得出靜葉斜置后的利弊情況，通過觀察進氣角分布，周向各位置葉表的壓力分布以及對應的速度矢量和壓力分布，可以發(fā)現(xiàn)進汽腔體所帶來的周向不對稱性會對下游葉片流動產(chǎn)生較大的影響，使得靜葉進口處的流動角差別較大，導致汽輪機偏離其工作條件。進汽腔配置斜置靜葉之后，進汽腔所引起的出口處周向不均勻性在流經(jīng)斜置靜葉后會得到較大的改善，從而使得下游流動參數(shù)更加均勻，有益于機組的運行和轉(zhuǎn)子壽命的延長。

超超臨界汽輪機；高壓進汽腔；數(shù)值模擬；斜置靜葉

網(wǎng)絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.tj.20160531.1104.034.html期刊網(wǎng)址：www.ship-research.com

引用格式：楊建，牛茂升，郭棟，等.某超超臨界汽輪機高壓進汽腔整圈斜置靜葉的數(shù)值仿真［J］.中國艦船研究，2016，11 （3）：97-101.

YANG Jian，NIU Maosheng，GUO Dong，et al.Numerical simulation of skew stators with inlet chamber of ultra super?critical steam turbines［J］.Chinese Journal of Ship Research，2016，11（3）：97-101.

0　引　言

早在20世紀，汽輪機就因其強大的功率，常被作為大型艦船的主要推進設備。80年代后，蒸汽輪機—燃氣輪機聯(lián)合推進的出現(xiàn)，凸顯了該聯(lián)合推進裝置運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、熱效率高的特點，現(xiàn)代蒸汽輪機—燃氣輪機聯(lián)合動力裝置的熱效率可達58%。而汽輪機作為該裝置的重要組成部分，其研發(fā)及生產(chǎn)水平在一定程度上反映一個國家的基礎工業(yè)實力，同時其技術(shù)成熟度也大幅制約著大型裝備的設計與制造。尤其在現(xiàn)代艦船中，汽輪機作為聯(lián)合推進裝置的重要組成部分，其工作壽命以及運行穩(wěn)定性都極大影響著艦船的安全性與生命力。目前，國內(nèi)的汽輪機研究與國外發(fā)達國家還存在著較大的差距。

針對目前汽輪機發(fā)展的國情，同時基于當前我國火電為主的局面將長期存在的現(xiàn)狀［1］，上海汽輪機有限公司引進西門子的超超臨界汽輪機技術(shù)，結(jié)合公司自身原有的設計體系，在消化吸收國外先進技術(shù)的基礎上，能夠建立起超超臨界汽輪機的自主設計體系［2］。

對于汽輪機而言，進汽情況在很大程度上影響著整機性能及功率輸出［3］。在引進的某超超臨界汽輪機組中，采用了單流加全周進汽相結(jié)合的進汽方式，有利于提高整機效率［4］，同時為了使整機結(jié)構(gòu)更加緊湊、合理，在高壓缸、中壓缸的第一級都配置了一種獨特的斜置靜葉［5］。

在對中壓缸進汽腔和斜置靜葉的流動特征的數(shù)值模擬中［6-7］，發(fā)現(xiàn)中壓缸進汽腔體出口的流動分布沿周向存在著明顯的不對稱性。

本文將通過對高壓缸進汽腔體和與其相連的第一級整圈斜置靜葉進行數(shù)值模擬及耦合計算，研究高壓進汽腔體的周向不對稱性對下游葉片流動的影響，為葉型設計和安裝提供基礎數(shù)據(jù)。

1　數(shù)值方法

高壓缸在軸向上，可以分為前后2個圓筒型的外缸和1個有水平中分面的內(nèi)缸［8］，圖1為高壓缸進汽腔體示意圖，腔體出口帶有一整圈斜置靜葉，圖2為斜置靜葉示意圖。

圖1　高壓缸進汽腔體Fig.1　Inflow chamber of high pressure cylinder

圖2　高壓缸進汽腔體、斜置靜葉示意圖Fig.2　Sketch map of high pressure inflow chamber and skew stator

為分析高壓進汽腔體進汽的不對稱性對下游葉片流動的影響，在進汽腔體出口的周向上，選取8個葉片，如圖2（a）所示。其中，圖1中B為進汽腔體出口圓周面，通過分析觀察該面，可得出氣流進入葉片前腔體出口流動角的分布情況。圖2中D為靜葉出口截面，可以分析氣流通過靜葉后的流動情況。

通過ANSYS ICEM軟件采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格生成腔體的整體網(wǎng)格，同時，為了保證貼體網(wǎng)格質(zhì)量，在壁面添加三層棱柱網(wǎng)格，葉片采用Turbo-Grid軟件生成六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。進汽腔體和斜置靜葉采用GGI交界面連接。

本文的三維計算采用CFX對流場進行數(shù)值模擬［9］，腔體進口給定流量和靜溫，靜葉出口給定背壓。采用CFX中基于IAPWS-IF97數(shù)據(jù)庫的蒸汽作為工質(zhì)。計算的收斂判據(jù)為RMS殘差小于10-4，能夠滿足工程應用需要。

2　結(jié)果分析

2.1進汽腔內(nèi)的流動

為了更好地分析進汽腔體的內(nèi)部流動特征及流動的周向不對稱性，圖3給出了高壓缸進汽腔中分面的壓力云圖。由于受到彎管曲率及流場逆壓梯度的影響，管道截面上會產(chǎn)生二次旋流［10］。該現(xiàn)象的出現(xiàn)給流場帶來了橫截面方向上的動能和能量交換，既會改變主流方向的平均速度，又將減少流場的總壓［10］。在進汽管和進汽腔體相連的變徑彎管附近，類似于此種運動，曲率R2導致速度增加，壓力減小，拐角處形成一個低壓區(qū)。與此同時，在進汽腔體出口下方，可以發(fā)現(xiàn)存在2個低壓區(qū)，經(jīng)分析認為，這是由于繞軸旋轉(zhuǎn)的周向速度其分量在曲率R1下所產(chǎn)生的離心力而產(chǎn)生的。由于曲率R1，R2所引起的離心力存在壓力梯度，所以在進氣腔內(nèi)、外壁面上會出現(xiàn)壓力梯度相互交替的現(xiàn)象。此外，在腔體頂部以及底部各存在1個高壓區(qū)，該區(qū)域速度較低，且存在有多個漩渦運動。

圖3　進汽腔中分面壓力云圖Fig.3　Pressure contour of association plane

為了更直觀地描繪進汽腔出口處在圓周方向上的流動不對稱性，圖4所示為出口圓周面B（圖1）上的周向流動角分布云圖。周向、徑向速度分量的大小決定了周向流動角的大小，體現(xiàn)了流動角流動方向與軸向的偏離程度。通過觀察可以發(fā)現(xiàn)，進汽腔體左、右側(cè)的周向流動角大小基本相等，方向正好相反，呈鏡面對稱狀分布。在水平處，周向流動角達到最大值，約為63°，說明流動角度偏轉(zhuǎn)約120°時存在較為明顯的周向非對稱性分布，從而導致下游斜置靜葉入口沖角存在較大的變化范圍。

圖4　出口圓周面B流動角分布Fig.4　Contours of flow angle at plane B

氣流在進汽腔體內(nèi)流動時，雖然壓力、速度沿圓周方向上的分布并不均勻，但是我們所關注的則是這樣的不均勻性對下游流動的影響。蝸殼出口處流動角的變化范圍，約為-63°～63°，呈鏡面對稱，存在明顯的周向不對稱性，為此需將進汽腔體和整圈靜葉流道進行耦合計算，考察周向非對稱性對第一級葉片流動的影響。

2.2葉片內(nèi)的流動

為了更好地說明進汽腔內(nèi)流動對其出口配置的靜葉的影響情況，在進汽腔體周向每隔45°共選取了8個周向位置（圖2（a））的葉片。因葉片沿著進汽腔呈中心對稱，圖5只給出了1～4號位置葉片在50%葉高處的葉表壓力分布曲線。

圖5　各葉片50%葉高處葉表壓力分布Fig.5　Pressure distribution on blade surface of different blades at 50%spanwise

從圖4可以看出，8個不同位置周向流動角約為-60°～60°，且互不相同。由于葉片的安裝角完全相同，因此如果各葉片進口沖角不同，將會導致葉片前緣壓力會存在較大差異。當葉片進口沖角為正時，流動滯止點出現(xiàn)在葉片吸力面?zhèn)?，葉片前緣壓差較小，呈尖頭狀分布（如葉片1所示）。當葉片進口沖角為負時，流動滯止點會出現(xiàn)在葉片壓力面?zhèn)龋鲃訙裹c與葉片前緣之間會出現(xiàn)較大壓降，如葉片3壓力分布所示。同時，可以發(fā)現(xiàn)各不同周向位置葉片的中后部的壓力分布基本趨于一致，說明該透平葉片對進口沖角變化并不敏感［11］，因此該葉片能夠適用于進口流動角度存在較大變化的場合。

圖6所示為1～4號位置的斜置葉片在50%葉高處的壓力分布云圖以及S1流面速度矢量圖。結(jié)合流動角分布（圖4）可以看出，在葉片3位置的流動接近于軸向流動，由流動的中心對稱性可知葉片7位置的流動也會呈現(xiàn)軸向流動分布。從速度矢量分布情況來看，葉片進汽邊前的流動方式主要為軸向流動，葉片前緣的滯止點位于葉片進汽邊附近。葉片2位置的流動角為-60°左右，葉片前緣滯止點位于葉片壓力面?zhèn)?，葉片4位置的流動角為60°左右，葉片前緣滯止點位于葉片吸力面?zhèn)?。從速度矢量圖與壓力分布上來看，葉片2和4都沒有明顯的流動分離現(xiàn)象，說明該翼型對于進口沖角并不十分敏感。從葉片3和5位置的前緣壓力分布可以發(fā)現(xiàn)，相比于葉片壓力面滯止點附近的壓力分布，吸力面?zhèn)鹊膲毫γ黠@減小。

圖6　不同位置處葉片50%葉高處的S1流面速度矢量圖以及總壓云圖Fig.6　Absolute pressure contours and velocity vector of S1 stream surface at 50%spanwise

D位于斜置靜葉出口1/4弦長處（圖2），出口平面D上的壓力和流動角分布云圖如圖7所示，以分析上游流動在圓周方向上的流動不對稱性在經(jīng)過靜葉后的變化情況。從圖7可以看到，受斜置靜葉的影響，在葉頂附近可清楚地看到靜葉的尾跡分布，相對于靜葉距離較遠的輪轂位置，尾跡的影響基本可以忽略，因此在周向分布上是對稱的?？烧J為斜置靜葉一定程度上消除了進汽腔內(nèi)流動的周向不對稱性，從而保證轉(zhuǎn)子的進口氣流可以更為均勻，確保機組運行的安全性。

圖7　靜葉出口D處的周向切面的總壓分布、流動角分布Fig.7　Absolute pressure contours and flow angle of plane D

3　結(jié)　語

本文通過高壓進汽腔體的數(shù)值計算分析，得出腔體的周向非對稱性，導致了進汽腔體的流動沿周向也是非對稱的，同時腔體存在有曲率的通道，這將導致內(nèi)部流動的分離，這很有可能影響下游的葉片偏離工作條件。

同時，高壓進汽腔體出口的流動不均勻性在一定程度上使得第一級進汽角沿軸向存在較大的差異，導致進口沖角在圓周方向上有較大的波動。而高壓進氣腔配置的斜置導葉則通過改變子午面的流線曲率（該子午面流線曲率產(chǎn)生的離心力可抵消一部分周向速度產(chǎn)生的離心力），從而使得沿葉高方向壓力分布以及反動度分布得以改變，提高葉根反動度以及減小葉頂反動度，有利于改善葉片級的經(jīng)濟性。

正由于透平葉片對來流角度的不敏感，使得該種葉片可以適應較大范圍的來流角度。高壓進汽腔配置了斜置靜葉后，能夠很好地消除進汽腔體產(chǎn)生的周向不均勻氣流，使得進入轉(zhuǎn)子時氣流均勻，一方面有利于機組的運行，另一方面能保證在轉(zhuǎn)子中的工況，有利于提高轉(zhuǎn)子的壽命。

進汽腔配置斜置靜葉能夠有效保證進汽的初溫與初壓，適合較大區(qū)間的氣流進口角，保證轉(zhuǎn)子能夠適應更寬的工況范圍，有利于提高轉(zhuǎn)子壽命，從而保證機組運行的可靠性，使得機組運行更加穩(wěn)定。在當代蒸—燃聯(lián)合推進裝置中如能夠有效地推廣該技術(shù)，將有利于提高國產(chǎn)裝備的通流設計水平，有利于延長轉(zhuǎn)子壽命，從而更好地保證艦船的安全性與生命力。

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Numerical simulation of skew stators with inlet chamber of ultra supercritical steam turbines

YANG Jian1，NIU Maosheng1，GUO Dong1，ZHU Xiaocheng2，DU Zhaohui2

1 Shanghai Division，China Ship Development and Design Center，Shanghai 201108，China
2 School of Mechanical Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China

In this paper，numerical simulation of skew stators with inlet chamber of ultra supercritical steam turbines is carried out through CFX.By analyzing the inner flow field of skew stators，losses and ben?efits from skew stators can be obtained，which provides references to future design of skew stators and im?proves the through-flow design.Based on the distribution of the flow angle at the inlet，the blade surface pressure at different circumferential positions，and the velocity vectors and static pressure contours at 50% span，it could be concluded that the circumferential asymmetry due to inlet chamber would affect the flow in downstream blade rows，causing deviation in the working state of the steam turbine，eventually undermin?ing the machine.However，with a row of skew stators installed，the circumferential asymmetry condition is improved significantly，and the flow in the downstream blade rows becomes much more uniform，which is seen to be helpful for the operation of the turbine and the protection of rotors.

ultra supercritical steam turbine；high pressure cylinder；numerical simulation；skew stator

U664.1

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2016.03.017

2015-06-09網(wǎng)絡出版時間：2016-5-31 11:04

楊建（通信作者），男，1985年生，碩士，工程師。研究方向：船舶動力裝置。

E-mail：ninjayang@163.com