高效寬負(fù)荷汽輪機(jī)通流氣動(dòng)技術(shù)研究

杜小琴，王建錄，袁永強(qiáng)，范小平，鄧國梁，劉勐

(東方汽輪機(jī)有限公司，四川 德陽，618000)

0 引言

所謂高效寬負(fù)荷汽輪機(jī)即變負(fù)荷情況下仍然要保證機(jī)組具有較高的經(jīng)濟(jì)性。通常情況下，機(jī)組不一定都運(yùn)行在設(shè)計(jì)點(diǎn)，且有可能大部分情況都不在設(shè)計(jì)點(diǎn)運(yùn)行。若機(jī)組負(fù)荷適應(yīng)性差，就算設(shè)計(jì)點(diǎn)機(jī)組效率很高，實(shí)際運(yùn)行的熱耗也很高，也不能體現(xiàn)超超臨界機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢。因此有必要開發(fā)高效寬負(fù)荷汽輪機(jī)機(jī)組，保證深度調(diào)峰時(shí)機(jī)組均具有較高的經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)保證機(jī)組額定負(fù)荷的循環(huán)效率和通流效率。為此國家提出了科技支撐計(jì)劃： “高效寬負(fù)荷1000 MW超超臨界機(jī)組開發(fā)與應(yīng)用”項(xiàng)目。本文對(duì)高效寬負(fù)荷機(jī)組開發(fā)中的通流氣動(dòng)技術(shù)進(jìn)行研究。

為保證寬負(fù)荷范圍內(nèi)機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性，熱力設(shè)計(jì)擬選用旁通配汽方式，同時(shí)選擇不同負(fù)荷點(diǎn)為設(shè)計(jì)點(diǎn)，綜合考慮全負(fù)荷范圍內(nèi)的加權(quán)經(jīng)濟(jì)性，以此選出最佳設(shè)計(jì)負(fù)荷點(diǎn)。同時(shí)采用零號(hào)高加，在熱力系統(tǒng)上尋求寬負(fù)荷汽輪機(jī)。

汽輪機(jī)的經(jīng)濟(jì)性主要體現(xiàn)在汽輪機(jī)效率，而效率的高低取決于蒸汽流過葉柵通道損失的大小，很多國內(nèi)外的文獻(xiàn)都為減小葉柵的能量損失進(jìn)行了大量的研究。葉型載荷特性與其氣動(dòng)性能息息相關(guān)，載荷特性不同，轉(zhuǎn)涙位置不同，對(duì)二次流的影響程度也不同，從而葉柵損失大小就不同[1-4]。汽輪機(jī)末級(jí)焓降大、流速高，尤其是動(dòng)葉通道內(nèi)的超音速汽流，很容易形成激波，帶來不可避免的激波損失。末級(jí)靜葉不同的成型規(guī)律能夠影響動(dòng)靜之間參數(shù)的大小及其沿徑向的分布規(guī)律，從而改變末級(jí)的流場特性[5-7]。 此外，末級(jí)葉片后的低壓排汽缸性能直接決定末級(jí)余速的利用程度，目前對(duì)低壓排汽缸性能的研究大多采用數(shù)值計(jì)算方法，且認(rèn)為低壓排汽缸與末級(jí)葉片的耦合計(jì)算結(jié)果與單獨(dú)的排汽缸計(jì)算結(jié)果不同[8-9]， 甚至有必要進(jìn)行非定常計(jì)算。

本文的高效寬負(fù)荷機(jī)組以某1000 MW超超臨界汽輪機(jī)為依托，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化研究，以達(dá)到高效寬負(fù)荷的目的。

1 高中壓亞音速葉型設(shè)計(jì)

為提高機(jī)組的寬負(fù)荷性能，高中壓必然要開發(fā)新的低型損亞音速靜葉和動(dòng)葉葉型，同時(shí)滿足寬負(fù)荷的要求。

葉型的設(shè)計(jì)是在原有葉型的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，并應(yīng)用二維程序初步評(píng)估其能量損失。如果優(yōu)化葉型能夠在較寬的攻角范圍內(nèi)能量損失系數(shù)都較小，便認(rèn)為達(dá)到了初步設(shè)計(jì)的目的。整個(gè)葉高范圍內(nèi)，靜葉葉型母型相同，可只對(duì)單獨(dú)一個(gè)截面進(jìn)行優(yōu)化，并將優(yōu)化結(jié)果應(yīng)用于整個(gè)葉高方向。動(dòng)葉葉型沿葉高變化，必須對(duì)不同葉高截面分別進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，然后沿葉高方向疊加成型。圖1和圖2分別給出了新葉型與原始葉型的差異，其中動(dòng)葉僅給出了根部截面的差異，其余截面的差異與根部截面相似?？梢钥闯?，靜葉和動(dòng)葉葉型的變工況性能都得到了明顯改善，尤其是動(dòng)葉的攻角適應(yīng)性變化非常明顯。

圖1 靜葉新設(shè)葉型與原始葉型對(duì)比

圖2 動(dòng)葉根部新設(shè)葉型與原始葉型對(duì)比

為進(jìn)一步驗(yàn)證新設(shè)寬負(fù)荷葉型的優(yōu)勢，還對(duì)靜葉進(jìn)行了平面葉柵風(fēng)洞試驗(yàn)和環(huán)形葉柵試驗(yàn)，靜動(dòng)葉一起進(jìn)行了多級(jí)透平試驗(yàn)，如圖3和圖4所示。

圖3 靜葉平面葉柵和環(huán)形葉柵試驗(yàn)件

圖4 多級(jí)透平試驗(yàn)

通過試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了新設(shè)葉型的變工況性能，與二維程序計(jì)算結(jié)果非常接近。三級(jí)透平試驗(yàn)條件的設(shè)計(jì)工況下，新設(shè)葉型的整缸效率高于原始葉型1.5%，如圖5所示，新設(shè)葉型收益明顯。

將新設(shè)亞音速葉型通過通流參數(shù)匹配應(yīng)用到高效寬負(fù)荷機(jī)組中，可明顯看出機(jī)組變工況性能相比于原機(jī)組的優(yōu)勢。

2 低壓超音速葉片優(yōu)化

低壓末級(jí)和次末級(jí)，甚至次次末級(jí)葉片通道內(nèi)汽流都可能達(dá)到超音速，且很容易受變工況的影響，因此末幾級(jí)超音速葉型的優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)提高變工況性能非常關(guān)鍵，高效寬負(fù)荷機(jī)組更是如此。此處以末級(jí)葉片為例進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，次末級(jí)和次次末級(jí)葉片的設(shè)計(jì)參照末級(jí)葉片的設(shè)計(jì)思路進(jìn)行。

高效寬負(fù)荷機(jī)組選用的末級(jí)葉片為1200 mm葉片，對(duì)其優(yōu)化之前首先需對(duì)其流場特性進(jìn)行詳細(xì)的分析。通過分析發(fā)現(xiàn)，原葉片雖然性能優(yōu)良，仍具有一定的優(yōu)化潛力，尤其是變工況條件下。

末級(jí)葉片的優(yōu)化首先根據(jù)準(zhǔn)三元程序分析末級(jí)的相關(guān)參數(shù)，如速比、反動(dòng)度、排汽角等，判斷其是否存在優(yōu)化空間。尤其是在變工況條件下，這些參數(shù)是否發(fā)生顯著變化？如有，便通過對(duì)葉片進(jìn)行初步扭轉(zhuǎn)等方式進(jìn)行優(yōu)化。若變工況條件下，參數(shù)變化顯著，將作適當(dāng)調(diào)整，這可能會(huì)犧牲部分設(shè)計(jì)工況或其余工況的收益，此時(shí)需考慮各個(gè)工況的綜合收益。

應(yīng)用Numeca軟件對(duì)準(zhǔn)三元程序分析優(yōu)化的結(jié)果進(jìn)行全三維CFD分析，并與原始分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，明確準(zhǔn)三元程序優(yōu)化收益。同時(shí)進(jìn)一步分析還有哪些優(yōu)化空間，便于進(jìn)行下一步優(yōu)化。

首先對(duì)靜葉進(jìn)行單獨(dú)優(yōu)化，調(diào)整靜葉流型變化規(guī)律，使動(dòng)葉入口攻角匹配更加合理，同時(shí)適當(dāng)調(diào)節(jié)反動(dòng)度沿徑向的分布，改變級(jí)負(fù)荷沿葉高方向的分布，在扭轉(zhuǎn)規(guī)律優(yōu)化的基礎(chǔ)上進(jìn)一步對(duì)葉片周向彎曲規(guī)律進(jìn)行優(yōu)化。三維優(yōu)化采用Design 3D進(jìn)行，圖6給出了靜葉優(yōu)化前后的形狀對(duì)比。

圖6 原型與優(yōu)化后靜葉形狀對(duì)比

由于靜葉優(yōu)化時(shí)已考慮了動(dòng)靜之間攻角的匹配及反動(dòng)度等參數(shù)的影響，動(dòng)葉的優(yōu)化僅以改變動(dòng)葉通道內(nèi)汽流折轉(zhuǎn)角及排汽角為目的，以進(jìn)一步改善末級(jí)性能。且動(dòng)葉型線如作過多調(diào)整，對(duì)葉片強(qiáng)度和頻率的影響也很大，因此動(dòng)葉優(yōu)化的改變相對(duì)靜葉較弱，圖7給出了動(dòng)葉優(yōu)化前后的形狀對(duì)比。

圖7 原型與優(yōu)化后動(dòng)葉形狀對(duì)比

任何優(yōu)化均以提高效率和變工況性能為目的，末級(jí)葉片的優(yōu)化也是如此，因此需對(duì)末級(jí)葉片的優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)的全三元分析，并比較變工況結(jié)果與優(yōu)化前的差異。如圖8所示，優(yōu)化后不同工況下其氣動(dòng)損失收益相當(dāng)，但低負(fù)荷工況下，其余速收益非常明顯。圖8中效率的定義公式為：

式（1）、（2）中，H為焓值， 下標(biāo)0表示級(jí)入口焓值，下標(biāo)2為級(jí)出口焓值，下標(biāo)s表示等熵焓，上標(biāo)*表示總焓，無上標(biāo)表示靜焓。

圖8 末級(jí)優(yōu)化前后變工況效率

對(duì)于次末級(jí)和次次末級(jí)葉片，其流場結(jié)構(gòu)可能相對(duì)較簡單，但對(duì)其優(yōu)化設(shè)計(jì)思路仍與末級(jí)葉片相同。

3 低壓排汽缸優(yōu)化

低壓排汽缸連接著末級(jí)葉片和凝汽器，好的排汽缸設(shè)計(jì)能夠?qū)⒛┘?jí)汽流的余速動(dòng)能盡可能地轉(zhuǎn)化為壓力能，達(dá)到良好的擴(kuò)壓效果。變工況情況下，末級(jí)的出口汽流條件可能更加惡劣，因此良好的排汽缸性能對(duì)高效寬負(fù)荷機(jī)組的設(shè)計(jì)非常重要。

首先，應(yīng)用CFX軟件對(duì)簡化的獨(dú)立排汽缸模型進(jìn)行計(jì)算，對(duì)排汽缸內(nèi)的汽流流動(dòng)機(jī)理進(jìn)行深入分析，綜合考慮各種因素對(duì)獨(dú)立的真實(shí)排汽缸模型進(jìn)行優(yōu)化。其次，排汽缸入口的真實(shí)流場為末級(jí)葉片出口汽流，即使考慮排汽缸入口汽流的偏轉(zhuǎn)，頂部圍帶汽封泄漏流的影響也很難評(píng)估，因此必須將排汽缸和末級(jí)葉片進(jìn)行耦合計(jì)算來重新評(píng)估排汽缸的性能，才能反應(yīng)實(shí)際的真實(shí)情況。最后對(duì)帶末級(jí)葉片的排汽缸變工況性能進(jìn)行分析，確保排汽缸變工況時(shí)的性能改善。

排汽缸的性能評(píng)估參數(shù)為靜壓恢復(fù)系數(shù)，定義為： （出口靜壓－入口靜壓）/入口總壓，優(yōu)化時(shí)以獲取最大收益為目標(biāo)。

圖9給出了排汽缸內(nèi)的基本流線示意圖，從整體看，由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一定簡化，流場均勻，流線特征明顯，但仍表明了排汽缸不同入口區(qū)域進(jìn)入的汽流在內(nèi)部的流動(dòng)行為。對(duì)不同部位的汽流結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，可以看出汽流的流動(dòng)特點(diǎn)，汽流渦形成的原因。優(yōu)化時(shí)適當(dāng)調(diào)整排汽缸局部位置型線結(jié)構(gòu)，以減弱或消除汽流渦為目的，從而使排汽缸的靜壓恢復(fù)系數(shù)增大。

圖9 排汽缸機(jī)理分析時(shí)流線示意圖

通過各種優(yōu)化方案后，獨(dú)立排汽缸靜壓恢復(fù)系數(shù)較原始模型提高了43.1%，可見優(yōu)化效果顯著，主要就是因?yàn)闇p弱或消除了內(nèi)部的汽流渦結(jié)構(gòu)。圖10為排汽缸內(nèi)某截面的流線圖，圖10（a）中紅圈標(biāo)出的汽流渦在優(yōu)化模型中消失了，如圖10（b）所示。

圖10 截面流線圖對(duì)比

與末級(jí)葉片的耦合計(jì)算方式有兩種：單通道葉片和整圈葉片通道。統(tǒng)計(jì)兩種方式計(jì)算后排汽缸的靜壓恢復(fù)系數(shù)，相比于獨(dú)立計(jì)算模型，靜壓恢復(fù)系數(shù)分別降低了47.4%和46.2%。對(duì)排汽缸的內(nèi)部流場進(jìn)一步的分析結(jié)果表明兩種耦合計(jì)算方式結(jié)果相當(dāng)，但帶上葉片通道后，排汽缸的性能顯著下降。

帶上末級(jí)葉片和獨(dú)立排汽缸計(jì)算的主要差異就在于排汽缸入口的汽流結(jié)構(gòu)不同。獨(dú)立計(jì)算時(shí)，入口汽流均勻，而帶上末級(jí)葉片后，入口汽流為末級(jí)葉片排汽，流動(dòng)參數(shù)分布不均，汽流方向紊亂，且頂部圍帶汽封的泄漏作用還可能不利于排汽缸頂部汽流的流動(dòng)。圖11的三維流線起點(diǎn)為排汽缸入口頂部某一扇形面，可以看出圍帶上部汽封排出的射流與動(dòng)葉頂部排出的主流方向差別巨大，盡管在剛進(jìn)入排汽缸時(shí)兩種流動(dòng)之間并沒有較大的間隙，但是速度的不一致導(dǎo)致流動(dòng)在進(jìn)入下游區(qū)域后產(chǎn)生分離，同時(shí)交界面上的粘性作用產(chǎn)生渦旋，并導(dǎo)致流線A產(chǎn)生。流線A在向下游發(fā)展的過程中會(huì)進(jìn)入導(dǎo)流環(huán)正面主流區(qū)域和導(dǎo)流環(huán)背面渦旋區(qū)域，并在這些區(qū)域形成擠壓，帶來更多損失，使靜壓恢復(fù)系數(shù)顯著下降。

由此可見，末級(jí)葉片出口真實(shí)的流場結(jié)構(gòu)對(duì)排汽缸入口汽流影響顯著，必須對(duì)排汽缸的性能進(jìn)行再優(yōu)化，仍然以削弱通道渦為目的，同時(shí)盡可能考慮末級(jí)的性能不受影響，綜合評(píng)估末級(jí)和排汽缸的收益。帶上末級(jí)葉片對(duì)低壓排汽缸性能進(jìn)行再優(yōu)化后，靜壓恢復(fù)系數(shù)相比于優(yōu)化前提高了30.2%，排汽缸性能明顯得到改善。此外，變工況條件下，排汽缸的靜壓恢復(fù)系數(shù)也大幅提高。

圖11 排汽缸入口頂部三維流線圖

4 總結(jié)

本文介紹了高效寬負(fù)荷機(jī)組開發(fā)過程中高中壓亞音速葉型的設(shè)計(jì)，低壓超音速葉片的優(yōu)化和低壓排汽缸的優(yōu)化設(shè)計(jì)過程，研究結(jié)果均在新設(shè)計(jì)的1000 MW高效寬負(fù)荷汽輪機(jī)中得以應(yīng)用。

高中壓亞音速葉型的設(shè)計(jì)不僅能夠提高機(jī)組的通流效率，還能使其變工況性能得到提高，通過通流參數(shù)匹配應(yīng)用到高效寬負(fù)荷機(jī)組中后，通流性能明顯提高，尤其是變工況條件下的性能。

低壓超音速葉片的優(yōu)化對(duì)變工況性能的收益非常明顯，優(yōu)化后不僅低壓通流氣動(dòng)性能得到提高，而且變工況條件下的余速損失大大減小。

低壓排汽缸的數(shù)值模擬計(jì)算必須要帶上末級(jí)葉片進(jìn)行耦合計(jì)算，以滿足真實(shí)的汽流流動(dòng)結(jié)構(gòu)，排汽缸靜壓恢復(fù)系數(shù)降低的主要原因是一系列通道渦的存在。本文以削弱或消除通道渦為目的，對(duì)排汽缸的性能進(jìn)行優(yōu)化，收益效果明顯。

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