某型燃?xì)廨啓C(jī)排氣段支撐型線優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

陳金銓，楊曉平，袁 浩，藍(lán)吉兵，初 鵬，隋永楓

(1.杭州汽輪動(dòng)力集團(tuán)有限公司，杭州 310022； 2.浙江汽輪成套技術(shù)開發(fā)有限公司，杭州 310012)

燃?xì)廨啓C(jī)排氣段是引導(dǎo)高溫燃?xì)鈴臏u輪末級(jí)流向余熱鍋爐或者大氣環(huán)境的通道，同時(shí)回收部分余速動(dòng)能，將其轉(zhuǎn)化為壓力能，增加燃?xì)廨啓C(jī)功率輸出，因此是燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組的關(guān)鍵部件。近年來國內(nèi)外關(guān)于排氣段氣動(dòng)設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化的研究很多，A M Pradeep等[1]應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，CFD)方法研究了某排氣段氣動(dòng)性能，并對(duì)支撐型線和子午面設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后排氣段靜壓恢復(fù)能力提高了22%。G K Feldcamp等[2]廣泛研究了不同湍流模型對(duì)排氣段數(shù)值計(jì)算的影響，認(rèn)為realizablek-ε模型在排氣段支撐處有更好的計(jì)算精度，而RSM模型在預(yù)測(cè)馬蹄渦方面較準(zhǔn)確。V Vassiliev等[3]采用試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算兩種方法，發(fā)現(xiàn)排氣段壓力恢復(fù)主要受入口氣流旋流角影響，受馬赫數(shù)影響較小，數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)獲得的壓力恢復(fù)因數(shù)偏差小于4%。P Schaefer等[4]對(duì)排氣段開展了不帶支撐子午面的優(yōu)化和支撐優(yōu)化兩項(xiàng)研究，經(jīng)數(shù)值計(jì)算分析，認(rèn)為不帶支撐子午面的優(yōu)化效果較差，考慮支撐的全三維計(jì)算更能反映排氣段真實(shí)性能，且支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)排氣段性能有重要影響。V Vassiliev等[5]分析了入口馬赫數(shù)、徑向壓力和溫度分布、雷諾數(shù)等對(duì)排氣段流動(dòng)的影響，提出有支撐結(jié)構(gòu)的排氣段設(shè)計(jì)需要考慮支撐和入口氣流邊界的匹配。鄭海英、丁佳榮[6]分析了燃?xì)廨啓C(jī)排氣段國產(chǎn)化中遇到的問題，介紹了排氣段的一般設(shè)計(jì)特點(diǎn)。方偉等[7]運(yùn)用CFD方法對(duì)某燃?xì)廨啓C(jī)排氣煙道進(jìn)行了流場(chǎng)分析，提出了局部阻力的改進(jìn)方法。徐自榮等[8]認(rèn)為，排氣段入口氣流角度對(duì)排氣段氣動(dòng)性能影響很大，排氣段的設(shè)計(jì)需要考慮入口氣流參數(shù)的分布。

本文在已有排氣段模型基礎(chǔ)上對(duì)前后支撐型線分別進(jìn)行型線優(yōu)化設(shè)計(jì)，目標(biāo)是在滿足結(jié)構(gòu)需求的前提下盡可能提高排氣段氣動(dòng)效率。并對(duì)關(guān)鍵的前支撐設(shè)計(jì)多種優(yōu)化方案，分別在多來流角度下進(jìn)行流動(dòng)性能計(jì)算，優(yōu)選獲得與該渦輪末級(jí)出口流場(chǎng)匹配的最優(yōu)型線設(shè)計(jì)。最后，通過耦合末級(jí)渦輪的排氣段CFD計(jì)算，對(duì)比分析了支撐優(yōu)化前后的排氣段氣動(dòng)性能和流場(chǎng)分布。

1 幾何模型和數(shù)值方法

出于結(jié)構(gòu)功能和強(qiáng)度安全的考慮，燃?xì)廨啓C(jī)排氣段必須在流道內(nèi)設(shè)置徑向支撐，支撐會(huì)額外增加流動(dòng)阻力，影響擴(kuò)壓流動(dòng)的合理組織，會(huì)使排氣段整體流動(dòng)性能有很大降低。而且由于渦輪末級(jí)葉片葉高較高，使得排氣段入口氣流流動(dòng)參數(shù)，如氣流角度、馬赫數(shù)等數(shù)值偏差大，分布不均，增加了支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)難度。圖1為本文所研究排氣段的子午面，前支撐和后支撐流向位置如圖1所示，其中前支撐周向均布6只，后支撐對(duì)稱布置2只。

圖1 排氣段子午面圖

使用ICEM軟件對(duì)排氣段數(shù)值模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。為合理利用計(jì)算資源，采用分段結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)格剖分方法，采用四面體網(wǎng)格對(duì)幾何拓?fù)鋸?fù)雜的支撐結(jié)構(gòu)處剖分，單元數(shù)約700萬。在后續(xù)幾何拓?fù)浜?jiǎn)單的擴(kuò)壓管道處采用六面體網(wǎng)格剖分，單元數(shù)約200萬。使用Turbo-grid軟件對(duì)末級(jí)渦輪葉片進(jìn)行六面體網(wǎng)格剖分，單元數(shù)約50萬。另外，對(duì)支撐表面網(wǎng)格加密，以保證支撐處復(fù)雜流場(chǎng)的計(jì)算精度。

(a) 支撐及內(nèi)端壁

(b) 支撐壁面網(wǎng)格加密

(c) 葉柵

圖2 分段結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格示意圖

采用商業(yè)軟件CFX對(duì)支撐優(yōu)化設(shè)計(jì)前后方案進(jìn)行三維CFD計(jì)算，湍流模型選擇SST模型，對(duì)流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)差分格式，動(dòng)靜交界面選用周向平均的數(shù)據(jù)傳遞方法。耦合末級(jí)渦輪的排氣段CFD計(jì)算，給定邊界條件為入口平均壓力、入口平均溫度以及排氣段出口靜壓力。另外，使用S1流面計(jì)算軟件Mises對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)的多種前支撐型線進(jìn)行流場(chǎng)分析，判斷型線在大來流角度變化情況下的損失，以做出優(yōu)選。

本文采用靜壓恢復(fù)因數(shù)CP和壓力保持因數(shù)ξ作為排氣段性能的主要衡量。

(1)

(2)

式中：下標(biāo)1表示排氣段入口截面，下標(biāo)5表示排氣段出口截面，帶*參數(shù)表示當(dāng)?shù)氐褥販箙?shù)。

2 支撐優(yōu)化

排氣段支撐在結(jié)構(gòu)上提供潤滑油管道、二次空氣系統(tǒng)等裝置布置空間，更重要的是，其型線設(shè)計(jì)是影響內(nèi)部流動(dòng)損失的關(guān)鍵。排氣段支撐型線和上游的渦輪末級(jí)排氣狀況關(guān)系密切，其設(shè)計(jì)受出口流場(chǎng)，尤其是出口氣流角等參數(shù)徑向分布的影響顯著。圖3給出了本次優(yōu)化設(shè)計(jì)排氣段上游渦輪的末級(jí)出口氣流角分布情況，可以看出出口氣流角從葉根到葉頂變化幅度較大，尤其是葉頂部分，由于受葉頂間隙壓力面至吸力面的泄漏流體影響，在80%相對(duì)葉高至流道頂部的范圍內(nèi)，氣流角度從偏離軸向+20°快速變化為-10°，變化幅度大且分布不均。而且受實(shí)際加工工藝和部件成本等因素制約，支撐不宜采用過于復(fù)雜的設(shè)計(jì)。以上是排氣段支撐優(yōu)化設(shè)計(jì)面臨的問題。

圖3 渦輪出口氣流角徑向分布

前支撐直接面對(duì)渦輪末級(jí)出口來流沖擊，該處氣流流速快，損失大，流場(chǎng)分布復(fù)雜，是影響排氣段整體流動(dòng)性能的關(guān)鍵因素。因此進(jìn)行了三種優(yōu)化型線設(shè)計(jì)，如圖4所示?？紤]實(shí)際加工生產(chǎn)工藝和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度需求，優(yōu)化型線采用流線型設(shè)計(jì)，完全由圓弧和直線段組成，截面積和原型偏差小于10%，可以滿足實(shí)際燃?xì)廨啓C(jī)的應(yīng)用要求。

圖4 前支撐型線優(yōu)化

由于入口氣流角度分布范圍廣，在大的攻角范圍下優(yōu)化的前支撐需要有較低流動(dòng)損失。依據(jù)入口氣流邊界條件，使用S1流面計(jì)算軟件Mises對(duì)原型支撐以及3種優(yōu)化型線分別進(jìn)行變來流角度的損失計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖5所示。支撐原型型線為橢圓型線，長(zhǎng)軸與渦輪軸向平行，損失因數(shù)沿0°氣流角左右對(duì)稱分布，損失因數(shù)在氣流角度大于20°之后部分開始快速增加，30°時(shí)損失因數(shù)已高達(dá)0.189。再對(duì)比三種優(yōu)化設(shè)計(jì)型線，優(yōu)化型線3在當(dāng)?shù)爻隹诹鲌?chǎng)分布下具有最優(yōu)表現(xiàn)。從出口氣流角分布圖可看出，來流角度分布在0°～30°的區(qū)域占據(jù)整體通流區(qū)域的90%，在該來流角度下，優(yōu)化設(shè)計(jì)3型線損失全面低于原型支撐。在20%～80%徑向高度的通流區(qū)域，氣流角度為20°～25°，優(yōu)化設(shè)計(jì)3的型線損失由原型的0.046降低至0.012，優(yōu)化設(shè)計(jì)顯著降低了損失。

圖5 前支撐變來流角損失計(jì)算

對(duì)后支撐的優(yōu)化如圖6所示，考慮設(shè)計(jì)工況來流角度，將原橢圓型線優(yōu)化設(shè)計(jì)為具備導(dǎo)流作用的流線型型線。考慮結(jié)構(gòu)需求，葉型最大厚度與原型相近。

圖6 后支撐型線優(yōu)化

3 耦合計(jì)算

耦合末級(jí)渦輪的數(shù)值計(jì)算方法使排氣段入口邊界更接近實(shí)際工況，并且考慮了上下游交互作用，因此相比于單獨(dú)排氣段CFD計(jì)算可獲得更準(zhǔn)確的模擬結(jié)果。下面用耦合末級(jí)渦輪的數(shù)值計(jì)算方法對(duì)支撐優(yōu)化后的排氣段整體氣動(dòng)性能進(jìn)行檢驗(yàn)計(jì)算。選擇優(yōu)化設(shè)計(jì)3的前支撐型線設(shè)計(jì)，按前述方法進(jìn)行網(wǎng)格劃分。優(yōu)化前后排氣段氣動(dòng)性能對(duì)比如表1所示，支撐優(yōu)化后排氣段壓力保持因數(shù)增加了1.4%，靜壓恢復(fù)因數(shù)增加了30%，整體氣動(dòng)性能得到了明顯提升，排氣段內(nèi)流動(dòng)損失大幅降低。

表1 支撐優(yōu)化前后排氣段氣動(dòng)性能對(duì)比

圖7、圖8給出了支撐優(yōu)化前后支撐附近不同高度截面的速度云圖分布。由于來流方向與支撐角度不匹配，原型設(shè)計(jì)在支撐結(jié)構(gòu)下游區(qū)域有明顯的流動(dòng)分離，流線分布不均，形成了局部低速區(qū)，增加了流動(dòng)的阻力和損失。優(yōu)化后方案中上述情況明顯改善。從云圖可以看出，在10%通道高度處流動(dòng)狀況優(yōu)化最為明顯，針對(duì)來流合理匹配的入口幾何角度和型線,使支撐對(duì)流場(chǎng)的干擾大范圍降低，原型中存在的流速小于50 m/s的低速區(qū)域基本消失。在50%通道高度處的流動(dòng)改善也很明顯，支撐后尾跡影響區(qū)域明顯減小，流體流經(jīng)支撐處的最大速度降低。90%通道高度處，優(yōu)化前后流動(dòng)情況均較理想。圖9給出了相對(duì)靜壓恢復(fù)因數(shù)的沿程分布。圖9清晰地顯示，在相對(duì)軸向位置0.02～0.08的流域內(nèi)，原設(shè)計(jì)流經(jīng)支撐附近流體呈現(xiàn)明顯的急劇減速擴(kuò)壓，之后膨脹加速，再繼續(xù)減速擴(kuò)壓的流動(dòng)特征，反復(fù)擴(kuò)張和膨脹使流動(dòng)損失變得劇烈。支撐優(yōu)化后，排氣段沿流向保持穩(wěn)定擴(kuò)壓，原支撐設(shè)計(jì)中前支撐處靜壓恢復(fù)因數(shù)的劇烈波動(dòng)消失，這說明優(yōu)化后沿真實(shí)流動(dòng)方向的流道面積變化設(shè)計(jì)較為合理，該設(shè)計(jì)降低了支撐結(jié)構(gòu)對(duì)擴(kuò)壓流道內(nèi)流動(dòng)的干擾。

(a) 10%通道高度

(b) 50%通道高度

(c) 90%通道高度

(a) 10%通道高度

(b) 50%通道高度

(c) 90%通道高度

圖9 相對(duì)靜壓恢復(fù)因數(shù)流向分布

4 結(jié) 論

本文使用數(shù)值計(jì)算的方法對(duì)某型燃?xì)廨啓C(jī)排氣段支撐型線進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，分析了優(yōu)化前后排氣段流場(chǎng)分布和整體性能變化，得出以下結(jié)論：

1)本文采用優(yōu)化設(shè)計(jì)支撐型線的策略，依照二維型線優(yōu)化、大來流角度下平面流場(chǎng)計(jì)算擇優(yōu)、三維耦合渦輪末級(jí)CFD分析的方法完成了支撐型線的優(yōu)化設(shè)計(jì)，有效提高了排氣段的流動(dòng)效率，豐富了排氣段的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，為后續(xù)機(jī)型排氣段設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了參考。

2)由于支撐型線設(shè)計(jì)受上游渦輪給出的流動(dòng)邊界的直接影響，對(duì)關(guān)鍵的前支撐的3種優(yōu)化型線進(jìn)行了大來流角度范圍的損失計(jì)算后，進(jìn)行擇優(yōu)，優(yōu)化型線3性能表現(xiàn)最佳，流動(dòng)損失小。

3)采用耦合末級(jí)渦輪的排氣段CFD計(jì)算方法驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)果。優(yōu)化后支撐型線設(shè)計(jì)合理，避免了支撐附近氣流反復(fù)的收縮和擴(kuò)張，提高了流動(dòng)效率。采用優(yōu)化設(shè)計(jì)型線的支撐型線，排氣段壓力保持因數(shù)提高了1.4%，靜壓恢復(fù)因數(shù)提高了30%，流動(dòng)特性大幅改善，整機(jī)效率可提高近0.2%。