工業(yè)汽輪機(jī)高效壓力級(jí)葉型優(yōu)化與實(shí)驗(yàn)

藍(lán)吉兵, 孔建強(qiáng), 隋永楓, 丁旭東, 毛漢忠, 王曉放, 田 夫

(1.杭州汽輪機(jī)股份有限公司工業(yè)透平研究院, 杭州 310022; 2.杭州汽輪動(dòng)力集團(tuán)中央研究院, 杭州 310022; 3.大連理工大學(xué) 能源與動(dòng)力學(xué)院, 大連 116024)

葉片是汽輪機(jī)效率提升的關(guān)鍵部件，專業(yè)汽輪機(jī)廠家對(duì)葉片氣動(dòng)性能優(yōu)化投入了大量研發(fā)力量[1-4]。提高汽輪機(jī)通流部分效率的措施主要有采用低損失的高效葉型、可控渦技術(shù)、三維彎扭聯(lián)合成型葉片、傾斜靜葉和更為先進(jìn)的汽封等。西門子公司的研究表明，采用彎扭葉片以后級(jí)效率的提升可以達(dá)到2%[4]。近期發(fā)展起來的葉片端壁造型技術(shù)，目的在于降低葉片的二次流損失，以期進(jìn)一步提高汽輪機(jī)通流部分的效率。三菱公司的研究結(jié)果表明，采用端壁造型技術(shù)以后，葉片在5%～20%葉高的效率將得到較大提高[5]。汽輪機(jī)通流部分所采用的葉型，隨著技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了多次更新。以ABB公司為例[1]，其葉型從20世紀(jì)初代號(hào)為200的葉型經(jīng)過5代葉型的進(jìn)化，演變到20世紀(jì)80年代代號(hào)為8000的葉型，效率得以逐步提高；以GE公司為例，其葉型也由20世紀(jì)40年代的傳統(tǒng)葉型經(jīng)歷了5次進(jìn)化演變，達(dá)到了20世紀(jì)80年代的超級(jí)葉型(super profile)。各公司所使用的葉型更新過程大體如此，通流部分的設(shè)計(jì)水平仍在不斷提高。

工業(yè)汽輪機(jī)作為壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)和泵等耗能設(shè)備的驅(qū)動(dòng)機(jī)，其轉(zhuǎn)速和負(fù)荷變化范圍非常廣，因而高效工業(yè)汽輪機(jī)通流部分動(dòng)靜葉片型線必須要有非常好的變工況性能。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(Computational Fluid Dynamics, CFD)的發(fā)展，汽輪機(jī)通流部分的全三維流場(chǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)己經(jīng)變?yōu)榭赡堋?007年，GE公司采用三維CFD方法，開展了反動(dòng)式汽輪機(jī)葉片型線的優(yōu)化工作，達(dá)到了提高效率的目的[6]；2012年，GE公司進(jìn)一步對(duì)工業(yè)汽輪機(jī)葉片型線進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化計(jì)算結(jié)果和相關(guān)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，優(yōu)化葉型效率提高了1%，效果明顯[7]。

為了提高工業(yè)汽輪機(jī)的效率，相關(guān)人員開展了工業(yè)汽輪機(jī)壓力級(jí)葉型的優(yōu)化工作[8]。本文對(duì)所采用的優(yōu)化方法進(jìn)行了更為詳細(xì)的描述，同時(shí)對(duì)原始葉型和優(yōu)化獲得的高效葉型進(jìn)行了詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證。本文的研究成果具有重要的應(yīng)用意義。

1 優(yōu)化方法及優(yōu)化要求

本文采用三維CFD和現(xiàn)代優(yōu)化理論相結(jié)合的方法，開展汽輪機(jī)葉型的氣動(dòng)優(yōu)化，采用自編專用程序和商用CFD軟件共同實(shí)現(xiàn)葉型氣動(dòng)性能優(yōu)化。傳統(tǒng)的三維葉型優(yōu)化方法由3個(gè)部分組成：(1)已有葉型的參數(shù)化；(2)單列汽輪機(jī)葉柵、汽輪機(jī)級(jí)或多級(jí)汽輪機(jī)氣動(dòng)性能計(jì)算；(3)汽輪機(jī)葉柵氣動(dòng)性能函數(shù)的最優(yōu)化。已有葉型的參數(shù)化是葉型優(yōu)化的基礎(chǔ)，為葉型優(yōu)化確定了變量空間，并確定了葉型優(yōu)化中變量的數(shù)量以及約束條件的數(shù)量和種類。計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值計(jì)算方法的進(jìn)步，使采用三維CFD方法對(duì)單個(gè)的汽輪機(jī)級(jí)或汽輪機(jī)的級(jí)組，甚至是對(duì)整個(gè)汽輪機(jī)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算來獲得氣動(dòng)性能成為可能。本文的氣動(dòng)性能函數(shù)采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，優(yōu)化算法采用遺傳算法。本文優(yōu)化方法的創(chuàng)新和優(yōu)點(diǎn)是優(yōu)化過程中引入了大量工業(yè)汽輪機(jī)的設(shè)計(jì)、運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過已有設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和運(yùn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，獲取了氣動(dòng)、幾何、強(qiáng)度、工藝和工況約束范圍，如圖1所示。

圖1 三維葉柵氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型

不同的被驅(qū)動(dòng)機(jī)有不同的負(fù)荷變化規(guī)律，被驅(qū)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷特性決定了工業(yè)汽輪機(jī)必須具有很好的變工況特性。這些變工況包括進(jìn)排汽參數(shù)的變化、抽汽參數(shù)和流量的變化、補(bǔ)汽參數(shù)和流量的變化、轉(zhuǎn)速的變化、功率的變化等，這就要求優(yōu)化獲得的葉型不僅在設(shè)計(jì)點(diǎn)具有良好的氣動(dòng)性能，而且要有優(yōu)異的變工況性能?？紤]到加工和管理成本，高效葉型的種類要少，所以單個(gè)葉型要有廣泛的適應(yīng)性。以無量綱葉柵進(jìn)汽角、無量綱葉柵出口馬赫數(shù)和無量綱葉柵展弦比為例(無量綱化時(shí)，分母為公司設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫中出現(xiàn)的最大葉柵進(jìn)汽角、最大葉柵出口馬赫數(shù)和最大葉柵展弦比)，圖2至圖4分別統(tǒng)計(jì)了部分壓力級(jí)葉柵進(jìn)汽角、葉柵出口馬赫數(shù)和葉柵展弦比分布。無量綱葉柵進(jìn)汽角分布在0.2到0.8的廣泛范圍內(nèi)，無量綱葉柵馬赫數(shù)分布在0.1到1.7的范圍內(nèi)，無量綱葉柵展弦比分布在0.1到1.0的范圍內(nèi)。

圖2 葉柵進(jìn)汽角分布

圖3 葉柵出口馬赫數(shù)分布

圖4 葉柵展弦比分布

2 壓力級(jí)高效葉型優(yōu)化

在充分統(tǒng)計(jì)和分析公司汽輪機(jī)壓力級(jí)葉片型線的使用情況的基礎(chǔ)上，結(jié)合汽輪機(jī)葉柵優(yōu)化方法，確定了高效壓力級(jí)葉型的優(yōu)化目標(biāo)和優(yōu)化策略。對(duì)汽輪機(jī)單列葉柵進(jìn)行氣動(dòng)性能優(yōu)化，首先對(duì)原始葉型進(jìn)行參數(shù)化處理,葉型壓力面控制點(diǎn)4個(gè)，吸力面控制點(diǎn)5個(gè)。流量和安裝角約束在一定范圍內(nèi)；對(duì)葉型的最大厚度進(jìn)行強(qiáng)制約束，以使優(yōu)化獲得的葉型具有良好的強(qiáng)度性能?？紤]到葉片加工方法對(duì)葉型的特殊要求，設(shè)置了滿足工藝性要求的約束。數(shù)據(jù)庫樣本設(shè)置為225，優(yōu)化迭代步數(shù)為40步。正如前文所述，工業(yè)汽輪機(jī)變工況范圍廣，而且為了降低加工和管理成本，優(yōu)化的葉型必須通用性好。為了使優(yōu)化的葉型具有通用性，基于對(duì)公司幾千臺(tái)已有工業(yè)汽輪機(jī)實(shí)例數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，獲得了氣流角、馬赫數(shù)、展弦比、安裝角等參數(shù)的分布概率，給出了各種參數(shù)在優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)中的權(quán)重，實(shí)行多輪優(yōu)化的方法。由于影響參數(shù)很多，還需要在各輪優(yōu)化過程中調(diào)整權(quán)重系數(shù)。在多輪優(yōu)化過程中，由于設(shè)置了不同的權(quán)重因子，優(yōu)化獲得的trom_opt1、trom_opt2和trom_opt3三種葉型的強(qiáng)度特性、加工工藝性和氣動(dòng)性能各不相同。trom_opt1、trom_opt2、trom_opt3三種葉型效率不斷提高，但葉型強(qiáng)度特性逐漸降低,設(shè)計(jì)人員可根據(jù)不同的氣動(dòng)、強(qiáng)度使用需求分別選用。圖5是原始T7葉型和優(yōu)化trom_opt1葉型不同相對(duì)節(jié)距時(shí)型線損失的比較曲線，可見在廣泛的相對(duì)節(jié)距變化范圍內(nèi)優(yōu)化葉型損失均比原始葉型小。圖6給出了trom_opt3葉型展弦比(H/L)為1、2、4時(shí)，進(jìn)汽角在30°～150°范圍內(nèi)效率提高的曲線，可見trom_opt3葉型相對(duì)原始葉型有更好的變工況性能，進(jìn)汽角在40°～130°范圍內(nèi)時(shí)，效率提高了0.6%～1.4%。

圖5 trom_opt1和原始型線損失對(duì)比

圖6 trom_opt3葉型效率提高

3 高效葉型實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象及方法

為了驗(yàn)證優(yōu)化方法和優(yōu)化獲得的高效葉型的氣動(dòng)性能，開展了優(yōu)化葉型的葉柵吹風(fēng)實(shí)驗(yàn)工作。圖7為實(shí)驗(yàn)臺(tái)及葉型幾何參數(shù)。圖7(a)為葉柵實(shí)驗(yàn)臺(tái)照片，圖7(b)為部分葉型參數(shù)的定義，表1提供了原始葉型和trom_opt3葉型的幾何參數(shù)。兩種葉型僅前緣、尾緣半徑和尾緣彎折角不同，其余參數(shù)保持一致。

(a) 平面葉柵實(shí)驗(yàn)臺(tái)

(b) 葉型幾何參數(shù)

圖7 實(shí)驗(yàn)臺(tái)及葉型幾何參數(shù)

表1 葉型幾何參數(shù)

為測(cè)量葉片表面靜壓分布，在葉片中徑處表面均勻設(shè)有直徑為0.4 mm的小孔，并保證小孔與葉片表面垂直。由于葉片尺寸較小，難以在1個(gè)葉片上將吸力面與壓力面的靜壓孔布置完全，因此采用在1個(gè)流道2個(gè)葉片的壓力面與吸力面分別布置小孔的方法。實(shí)驗(yàn)流場(chǎng)的測(cè)量工具為五孔探針，考慮到平面葉柵在葉高方向的對(duì)稱性，實(shí)驗(yàn)僅測(cè)量一半葉高。測(cè)量截面布置如圖8所示，柵前測(cè)量截面與葉柵前緣額線的距離為2倍軸向弦長(zhǎng)，流場(chǎng)檢測(cè)范圍為3.4倍節(jié)距，實(shí)際處理數(shù)據(jù)使用的范圍為粗實(shí)線部分的2倍節(jié)距；柵后測(cè)量截面與葉柵尾緣額線的距離為1倍軸向弦長(zhǎng)，測(cè)量范圍為2倍節(jié)距，在節(jié)距方向與葉高方向都是每隔2 mm布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)。柵前截面的參數(shù)采用下標(biāo)1表示，柵后截面的參數(shù)采用下標(biāo)2表示。

圖8 測(cè)量截面

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理方式如下。

1)表面靜壓系數(shù)計(jì)算式為：

(1)

式中：總壓采用p0表示，靜壓用p表示，平均量采用“-”表示，ps,j為葉片表面的靜壓。

2)當(dāng)?shù)乜倝簱p失系數(shù)計(jì)算式為：

(2)

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

為了保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果真實(shí)可靠，需要對(duì)流場(chǎng)節(jié)距方向的周期性和進(jìn)口來流的邊界層特性進(jìn)行校核，測(cè)試結(jié)果表明流場(chǎng)的周期性和邊界層特性滿足要求。實(shí)驗(yàn)工況進(jìn)口氣流角在廣泛范圍內(nèi)變化，以零沖角、柵后平均馬赫數(shù)0.29、柵后平均雷諾數(shù)2.0×105作為典型工況，圖9給出了該工況兩種葉型的表面靜壓系數(shù)測(cè)試結(jié)果，其中B為葉片坐標(biāo)軸向?qū)挾葻o量綱數(shù)。可以發(fā)現(xiàn)，原始葉型和trom_opt3兩種葉型均為后加載葉型，但trom_opt3葉型的最大載荷區(qū)域更為靠后，且載荷更大。圖10給出了中徑處總壓損失沿節(jié)距方向的分布曲線，圖中橫坐標(biāo)為無量綱節(jié)距，縱坐標(biāo)為當(dāng)?shù)負(fù)p失系數(shù)?？梢钥闯觯髁鲄^(qū)通道內(nèi)的總壓損失都很低，葉型損失主要集中在尾跡區(qū)域內(nèi)，兩種葉型的損失高點(diǎn)基本一致，但原始葉型的高損失區(qū)域明顯大于trom_opt3葉型，最終使trom_opt3葉型的型線損失明顯低于原始葉型。這是由于原始葉型和優(yōu)化葉型的不同加載特性造成的。圖11給出了在進(jìn)汽角40°～105°變化范圍內(nèi)原始葉型和優(yōu)化葉型trom_opt3總壓損失系數(shù)對(duì)比結(jié)果，可見優(yōu)化葉型在廣泛的范圍內(nèi)總壓損失系數(shù)比原始葉型低1%左右，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本文優(yōu)化葉型的性能。

圖9 葉片表面靜壓系數(shù)

圖10 中徑處總壓損失沿節(jié)距方向分布

圖11 典型工況葉型總壓損失系數(shù)隨進(jìn)汽角變化

4 結(jié) 論

本文在對(duì)杭州汽輪機(jī)廠大量工業(yè)汽輪機(jī)產(chǎn)品通流部分設(shè)計(jì)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上，確定了高效壓力級(jí)葉片型線優(yōu)化的輸入?yún)?shù)、約束條件和優(yōu)化策略，結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法和遺傳算法對(duì)工業(yè)汽輪機(jī)壓力級(jí)葉片型線進(jìn)行了氣動(dòng)性能優(yōu)化，獲得了trom_opt1、trom_opt2和trom_opt3等3種候選葉型，并在綜合考慮氣動(dòng)性能、強(qiáng)度特性和加工工藝可行性等指標(biāo)的基礎(chǔ)上選擇了trom_opt3作為最終的優(yōu)化葉型。trom_opt3葉型在進(jìn)汽角40°～130°范圍內(nèi)效率提高了0.6%～1.4%。此后，本文開展了葉柵吹風(fēng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明，在實(shí)驗(yàn)工況的廣泛變化范圍內(nèi)，優(yōu)化葉型總壓損失系數(shù)較原始葉型降低了1%左右，這表明本文的優(yōu)化方法成功獲得了高效的汽輪機(jī)葉型。