汽輪機調(diào)節(jié)級氣動性能分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

劉鈺林

摘 要：噴嘴配氣調(diào)節(jié)級具有大焓降和低反動度的設(shè)計特點，因而被廣泛應(yīng)用于大功率沖動式汽輪機高壓缸中。本篇文章首先介紹了大功率汽輪機噴嘴配汽調(diào)節(jié)級氣動性能的目前發(fā)展情況，以及氣流激振方面的研究進展。其次，文章分析并研究了1000MW和300MW汽輪機，并且在研究300MW汽輪機時，基于反流初始設(shè)計噴嘴配汽調(diào)節(jié)級氣動性能分析，提出了順流結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方案。并且，在反流初始設(shè)計方案中噴嘴配汽調(diào)節(jié)級氣動性能和順流優(yōu)化方案中噴嘴配汽調(diào)節(jié)級氣動性能兩者之間，通過分析比較在設(shè)計工況和變工況下的氣動性能，得出了順流結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案設(shè)計簡單、應(yīng)用型強的優(yōu)勢。文章的最后，對大功率汽輪機噴嘴配汽調(diào)節(jié)級氣動性能和氣流激振的發(fā)展前景進行了詳細的描述。

關(guān)鍵詞：汽輪機；噴嘴配汽調(diào)節(jié)級；氣動性能；優(yōu)化設(shè)計

在經(jīng)濟飛速發(fā)展的現(xiàn)代社會，大功率沖動式汽輪機的優(yōu)化研究受到全國各地的青睞。大功率汽輪機的高壓進汽結(jié)構(gòu)以及低壓排汽結(jié)構(gòu)的氣動性能優(yōu)化能明顯提高機組的氣動效率，經(jīng)濟上可觀，操作上可行；但于高壓進汽結(jié)構(gòu)而言，它的運行方式和結(jié)構(gòu)會造成進汽和流動具有非對稱性和非周期性特點的結(jié)果，降低了高壓進汽的運行效率；因此，如何改進高壓進汽結(jié)構(gòu)，才能使得機組的運行更簡單更高效，就依賴于對高壓進汽結(jié)構(gòu)三維流場特性的精確掌握和合理運用。

噴嘴配汽是指汽機通過改變調(diào)節(jié)汽門的開度和開啟數(shù)目來改變進汽量的方式，汽輪機噴嘴配汽調(diào)節(jié)級一般具有4個或6個調(diào)節(jié)閥，每個調(diào)劑閥控制一組噴嘴組進汽，噴嘴配汽在部分負荷時，汽機通過改變調(diào)節(jié)汽門的開度和閥的開啟數(shù)目來改變進汽量的方式，而此時，只有未全開的調(diào)節(jié)汽門中蒸汽節(jié)流較大，而其余全開汽門中的蒸汽節(jié)流已減小到最低，所以定壓運行時的噴嘴配汽與節(jié)流配汽相比，節(jié)流損失較少，效率較高，但負荷變動調(diào)節(jié)級汽室溫度變化大，熱應(yīng)力熱變形大，負荷適應(yīng)性差。汽門中蒸汽節(jié)流較大，而其余全開汽門中的蒸汽節(jié)流已減小到最低，故定壓運行時的噴嘴配汽與節(jié)流配汽相比，節(jié)流損失較少，效率較高，但負荷變動調(diào)節(jié)級汽室溫度變化大，熱應(yīng)力熱變形大，負荷適應(yīng)性差。

大功率汽輪機噴嘴配汽調(diào)節(jié)級機組一般情況下具有3種運行方式：順序閥定壓運行，單閥節(jié)流運行，滑壓運行。不同的運行方式在不同的工況下具有各自的優(yōu)勢：順序閥是指各個調(diào)節(jié)汽門逐次開啟。在機組啟動時，通常采用單閥，其優(yōu)勢在于可以使噴嘴組全周進汽，有利于機組金屬部件均勻加熱，減少因受熱不均勻?qū)е聶C組的損壞；機組并網(wǎng)后，采用順序閥，可以讓多個調(diào)節(jié)汽門中只有一個閥門處于節(jié)流狀態(tài)，有利于減小節(jié)流損失，提高機組的熱效率。而滑壓運行方式中，調(diào)節(jié)閥的開度保持不變，通過改變鍋爐主蒸汽的壓力進而調(diào)節(jié)機組負荷，機組可以在閥門開啟數(shù)量不同的情況下進行滑壓，但是有一定安全性的限制。典型滑壓運行模式為4閥，3閥和2閥。

（一）汽輪機噴嘴配汽調(diào)節(jié)級的目前情況

早期的汽輪機級數(shù)少，也沒有調(diào)節(jié)級的概念。從最早的反動式汽輪機到單級沖動式汽輪機，再到多級反動式汽輪機，在當時的功率和效率上都是領(lǐng)先地位的存在。發(fā)展到現(xiàn)在，大多數(shù)汽輪機都有調(diào)節(jié)進汽方式以達到調(diào)節(jié)負荷狀況使機組運行既符合經(jīng)濟性又能提高效率的調(diào)節(jié)級存在，但少數(shù)節(jié)流配汽的汽輪機除外（帶基本符合）。隨著時代的發(fā)展，生產(chǎn)力發(fā)展的需求和國家節(jié)能環(huán)保系列政策的不斷提出，汽輪機技術(shù)水平的不斷攀升，人們對汽輪機各參數(shù)的要求在提高，噴嘴配汽調(diào)節(jié)級的優(yōu)化方案也不斷被提出，高參數(shù)、大容量、高效率、高經(jīng)濟逐漸成為汽輪機優(yōu)化的主流方向。

對于噴嘴配汽調(diào)節(jié)的機組而言，調(diào)節(jié)級葉片的優(yōu)化設(shè)計極大影響了汽輪機參數(shù)和容量的“升級”，比如說：當單流調(diào)節(jié)級提供不了機組功率等級增大所需求的條件時，雙流調(diào)節(jié)級就產(chǎn)生了。雖然雙流調(diào)節(jié)級流動問題明顯要比單流調(diào)節(jié)級復雜，但卻降低了單溜調(diào)節(jié)級大功率的結(jié)構(gòu)設(shè)計風險。雙流調(diào)節(jié)級各方面性能都有提高，非周期性明顯，非均勻性增強，流動呈現(xiàn)極強的三維特性；但由于流動問題復雜，雙流調(diào)節(jié)級效率低下。對于超超臨界1000MW汽輪機來說，效率的高低極大程度上影響了它的經(jīng)濟性。

對噴嘴配汽調(diào)節(jié)級運行方式對機組經(jīng)濟性影響上來分析，有學者在600MW汽輪機順序閥的開啟方式上做了研究，在調(diào)節(jié)級熱力計算和有限元強度校核的基礎(chǔ)上啟用對角方式開啟順序閥的方法，并對重疊度進行優(yōu)化，此種改進極大提高了機組的運行效率，同時也保證了機組的經(jīng)濟性，其表現(xiàn)在于，機組的上下缸溫，軸振等各項指標狀況良好。經(jīng)過汽輪機研究工作者們的不謝努力，綜合進汽壓損和調(diào)節(jié)級內(nèi)效率以及考慮機組運行效率和經(jīng)濟效益等因素，總結(jié)出調(diào)節(jié)級總效率的排序方式為：4閥，3閥，2閥滑壓，順序閥和單閥。

（二）噴嘴配汽調(diào)節(jié)級氣動性能的優(yōu)化設(shè)計

本節(jié)在研究1000MW汽輪機時，將采用CFX軟件進行數(shù)值分析，此軟件采用FVM求解三維粘性可壓縮非定常雷諾時均方程組，為了計算結(jié)果的精確性，微分方程的離散選取高精度二階格式。由于動靜界面參數(shù)的不均勻，動靜葉之間采用了凍結(jié)轉(zhuǎn)子法，解決了計算機組參數(shù)時常規(guī)分析方法造成的參混損失以及氣動參數(shù)的不準確性。在這個研究中，既要考慮選取方法的可實用性，還要結(jié)合機組本身會出現(xiàn)的如雙流、單流調(diào)節(jié)級，調(diào)節(jié)閥開啟個數(shù)等情況造成的影響。

研究300MW汽輪機噴嘴配汽調(diào)節(jié)級時，本節(jié)采用全三維數(shù)值方法開展優(yōu)化設(shè)計工作，主要目的在于降低制造成本，提高機組在設(shè)計工況和變工況情況下的氣動性能；分析比較前文提及的反流設(shè)計結(jié)構(gòu)和順流優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)的高壓進汽噴嘴配汽調(diào)節(jié)級的氣動性能，輔以數(shù)據(jù)驗證。在反流汽輪機噴嘴配汽調(diào)節(jié)級的計算區(qū)域三維結(jié)構(gòu)中，含126只靜葉，102只動葉，6個閥門腔室以及套筒結(jié)構(gòu)，閥門腔室和套筒計算區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，葉柵組則采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，反流結(jié)構(gòu)設(shè)計中每個噴嘴間都缺一個葉柵，葉柵分為動葉柵和靜葉柵，是汽輪機最基本的工作單元。通俗地說，一個葉柵類似于一個蒸汽通道，使機組更平穩(wěn)地運轉(zhuǎn)。接下來分析順流優(yōu)化結(jié)構(gòu)，順流優(yōu)化結(jié)構(gòu)分為126只靜葉，102只動葉，6個閥門腔室及動葉出口延伸段，腔室出口延伸段計算區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，葉柵組的線型與反流初始結(jié)構(gòu)設(shè)計相同。隨著機組的運轉(zhuǎn)，閥門開度的減小，順流結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的優(yōu)勢逐漸展現(xiàn)，順流結(jié)構(gòu)設(shè)計的余速越來越大于反流結(jié)構(gòu)設(shè)計的余速，造成余速損失，因此，在實驗中不得不做進一步的改進，將原型角落光滑化，管道、腔室連接處光滑化，改變腔室彎轉(zhuǎn)半徑。在不同閥門開啟的工況下，提高了順流結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的氣動效率，減少相應(yīng)損失，實在地保證了機組運行的高效性和經(jīng)濟性。

結(jié) 語

隨著科學技術(shù)的飛速發(fā)展，三維造型技術(shù)不斷成熟，計算機力學的普及以及數(shù)值分析軟件的大規(guī)模開發(fā)，大功率汽輪機的調(diào)節(jié)級氣動性能也在不斷改進，為了滿足現(xiàn)階段社會工業(yè)對汽輪機功能的要求，從環(huán)保的角度出發(fā)，不斷對汽輪機調(diào)節(jié)級氣動性能以及氣流激振進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，努力實現(xiàn)高效率、高經(jīng)濟、高環(huán)保，使機組經(jīng)濟簡單，安全可靠，平穩(wěn)運行。本文的優(yōu)化達到預期效果，在汽輪機葉片腔室等結(jié)構(gòu)上進行的改造對汽輪機以后的優(yōu)化改造也具有一定的參考意義。

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