汽轮机叶片改型及三维气动优化设计-.pdf

第4 0卷第 1期 2 0 1 1 年 3月 V o 1 ． 4 0 No ． 1 Ma r ．2 01 1 汽轮机 叶 片改型 及三 维 气动 优 化设 计 隋永枫 卫 一， 孙义冈。 ， 叶钟 ， 孔建强 1 ． 杭 州汽轮动力集团中央研 究院博 士后科研 工作站 ， 杭 州 3 1 0 0 2 2 ；2 ． 杭 州汽轮机股份有限公司工业 汽轮机研 究所， 杭 州 3 1 0 0 2 2 ；3 ． 西安交通大学动力工程及 工程热物理博 士后 流动站 ， 西安 7 1 0 0 4 9 摘要 为了提 高汽轮机 的效率 ， 本文采用基 于人 工神经网络及遗传算法的叶轮机械叶 片三维优化设计 方法， 对某低压叶片级组进行优化设计 。优化 目标是在流量不减 小的情况 下， 减 少叶 片内的流 动损 失， 增加 叶片的 总总效率及等熵效率。优化仿真结果显示， 优化后所获得的扭曲叶片有效地改善 了次末级叶根处的流动分 离， 流道损失显著降低 ， 流量和总总效率也都得到 了大幅度 的提 高。 关键词 汽轮机 ； 叶片优 化设计 ； 流场分析 ； 效率 中图分类号 T K 2 6 3 ． 3 文献标 识码 A 文章编号 1 6 7 2 5 5 4 9 2 0 1 1 0 1 0 0 2 8 0 5 I mpr o v e d a n d Op t i mi z e d Ae r o d y n a mi c De s i g n o n Tu r bi n e Bl a de St a g e s S U ／Y o n g -f e n g ， ， S U N g a n g ，Y E Z h o n g ‘ 一 ， K O N G J i a n ． q i a n g 1 ． H a n g z h o u T u r b i n eP o we r ，P o s t d o c t o r Wo r k i n g S t a t io n ，H a n g z h o u 3 1 0 0 2 2 ， C h i n a； 2 ． H a n g z h o u S t e a m Tu r b i n e CO． ，L t d．I n du s t r ia l St e a m Tu r b in e I n s t i t u t e，Ha n g z h o u 3 1 0 0 2 2，Ch i n a； 3 ． Xi ’ a n J ia o t o n g Un iv e r s it y， P o w e r E n g i n e e r i n g＆ E n g in e e r i n g T h e r m o p h y s ic s P o s t d o c t o r R e s e a r c h S t a t i o n ， X i ’ a n 7 1 0 0 4 9 ， C h i n a Ab s t r a c t B ase d o n a r t i fi c i a l n e u r a l n e t w o r k a n d g e n e t ic alg o ri t h m，a 3 D o p t i m i z e d d e s i g n me t h o d i s a d o p t e d t o i mp r o v e s t e a m t u r b i n e e ffi c i e n c y． T h e o p t i m i z a t i o n o b j e c t i v e i s t o m a x i m i z e t o t a l t o t a l i s e n t r o p i c e ffic i e n c y ， m i n i miz e t h e l o s s o f fl o w p a t h，a n d k e e p ma s fl o w u n c h a n g e d．Th e o p t i mi z e d s i mu l a t i o n r e s ult s h o ws tha t o p t i mi z e d b l a d e s t a g e s c a n e ff e c t i v e l y i mp r o v e fl o w s e p a r a t i o n ， d e c r e a s e t h e l o s s o f fl o w pa t h ， a n d e n h a n c e i n a s s fl o w a n d t o t a l t o t a l i s e n t r o p i c e ff i c i e n c y ． Ke y wo r ds s t e a m t u r b i ne；o p t i mi z e d a e r o dy n a mi c d e s i g n；flui d a na l y s i s；e ffic i e n c y 叶栅的气动设计技术由于直接关系到汽轮机 的效率、 功率甚至运行的安全可靠性 ， 影响到能源 的有效转换和合理利用 ， 一直是国内外 叶轮机械 气动热力学领域关注的重点。采用先进的设计理 论与方法对通流部分进行设计优化是提高汽轮机 气动效率和改善其气动性能的一个非常重要的手 段 ， 。 汽轮机叶栅内部流动 由三维 N a v i e r S t o k e s 方 程决定， 其工作环境非常复杂， 内部流体的流动是 粘性 、 三维 和非定 常 的有 旋 流 动 ， 存 在 通 道 涡 、 角 涡 、 泄漏涡等 复杂 涡 系 ， 并 常 伴 有激 波 、 边 界层 分 离 、 回流等复杂的流动现象。叶栅工作环境 的复 杂性决定了其气动优化设计是一个跨学科 、 十分 复杂的高难度课题 3 J 。随着计算速度的提高及 C F D三维流场求解精度的完善 ， 基于 Ns方程 的全三维流场数值模拟用于叶轮机械气动设计成 为可能。近年来 国内有许多研究工作采用三维 C F D流场分析与数值优化相结合的方法 ， 来提高 汽轮机的性能 。 本文在已有传统改型设计方法基础上 ， 结合 工业汽轮机通流的技术 特点 ， 采用 叶轮机械全三 维优化设计平台 D e s i g n 3 D， 将计算流体动力学分 析技术与人工神经网络、 遗传算法相结合的方法 ， 以某两级低压级组转子 叶片为研究对象 ， 通过改 变整个叶高的扭 曲规律的方法对其进行三维气动 优化 ， 从而达到改善叶片气动性能的目的 I 9 j 。 收稿 日期 2 0 1 01 2 3 0 修订 日期 2 0 1 l O 1 1 9 基金项 目 浙江省科学技术厅优先 主题重大工业项 目 1 0 0 MW 等级超大型工业汽轮机系列技术开发与应用 2 0 0 8 C O 1 0 6 3 作者简介 隋永枫 1 9 7 8一 ， 男 ， 黑龙江鹤岗人， 高级工程师 ， 博士后 ， 杭州汽轮机股份有限公 司、 西 安交通大学博士后 ， 从事 汽轮机 热力 结构设计 、 叶片设计 、 三维流场气动分析 、 转子动力学与固体力学等研究 。 囵一 I 羹 霪 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 气轮机 叶片 改型及三维 气动优化设计 热力透平 1 流 场计算方法简介 数值 算 采用 N U ME C A商 用软 件包 F i n e ／ T u r b o ， 通过求解 R A N S方程评估透平级的气动性 能 “ 。在 计算 过 程 中， 粘 流计 算 采 用 S p a l a r t A l l a ma r a s 一方程湍流模型 ， 该湍流模型能够满足 1 二 程实际的需要 ， 并且能够有效地节约计算 机资 源， 提高计算速度川 ； 空间离散采用有 限体积法 ， 格 式采用 二 阶 中心 差 分 格式 ， 时 问离 散 采 用 四 步 R u n g e K u t t a方法； 动静叶干涉面采用混合平面法 进 行处理 ， 该 方法 已经 被 证 明能 够 满 足 工 程 实 际 需要 。为加速 收敛 ， 采用 了多 重 网格 法 三重 和隐式残量平均法。 计算过程 中， 工质 选 C o n d e n s a b l e F l u i d水蒸 气模型。进 口边界条件给定总焓 、 于度 和三个方 向的速度 ， 这些进 口边界条件都是从三级的联级 计算的结果 中取 出。出 口边界条件 给定 平均静 压 ， 汽缸壁采用静止无滑移绝热边界 。 2 叶片参数化建模 本 文采用 N u m e c a ． D e s i g n 3 D的 a u t o b l a d e 模 块 对叶型进行参数拟和 ， 使参数化后的叶片与原型 叶片效果基本一致 。叶片参数化造型是优化设汁 的基础 ， 作用是对设 } t - x ,} 象进行方便建模 。设计 变量的数 目将直接影响数据库样本 的规模 ， 从而 影响优化时间。理想的叶片参数化方法应当使用 尽量少的设计变量准确模拟设计对象。本文通过 将五个不同叶展处的叶型进行径向积叠生成三维 叶片， 每个截面使用 中弧线加构造线来表达 ， 中弧 线可以采用多种拟 和形式 ， 如 B S p l i n e 、 B e z i e r曲 线等通过对中弧线 的拟和， 我们 可以很方便地控 制H 十 片的入口几何角和出口几何角等参数， 通过这 些参数的变化来控制叶型中弧线的变化， 图 1 列出 了用简单 B e z i e r曲线拟和的叶片中弧线示意图。 在 A u t o b l a d e中吸 力 面 和压 力 面有 两 种 构 造 模式 ， 一种是构造线模式， 一种是厚度控制模式。 构造线模式可以对压力面和吸力面的控制点进行 控制 ， 以达到改变叶型 的 目的， 控制线 可 以选择 B e z i e r 和 B s p l i n e 等线型控制方式 ， 也可 自己定 义 控制方式 。而厚度控制模式则是通过压力面和吸 图 】 中弧线定义方式图 力 面相对 中弧线的厚度 的变化来达到改变 叶型 的 目 的。图2给出了构造线模式控制吸力面的示意图。 图 2 吸力丽构造线 模式 示意 图 3 叶片改型优化设计方法介绍 N U ME C A软件的 F i n e ／ D e s i g n 3 D软件包是基 于 N S方程解 的优化设计 平台， 它是专门用于 三维旋转机械叶片及通道造型设计和优化的软件 工具。D e s i g n 3 d模块将根据数据库生成 的样本 ， 采用人工神经网络建立几何优化变量与气动参数 之间的近似函数关系 ， 并在此基础上， 通过遗传算 法等其他数值优化算法进行优化预测出最优解 ， 然后再进行流场效验计算 ， 并将结果补充道样本 数据库生成近似 函数 ， 如此反复寻找满足优化 目 标的最佳解。 根 据汽轮 机 的特 点 ， 本 文 将 手 工改 型 和 自动 优化相结合 ， 对两级汽轮机进行优化设计 ， 主要改 型对象是次末级静叶 ， 优化对象是次末级动叶， 同 时为了兼顾次末级动叶的振动性能， 对子午面也做 了相应的修改。本次优化的目标函数可以选总总 一囵 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 汽轮机叶片改型及 三维气动优 化设计 效率、 总压损失 或 叼 M o 9 ，上 式 中 为两级 动叶片的扭矩 ， 为 叶片转 速 ， 则 M ∞为 叶片 出 功 总 为整级的理想功 ， 叼这里定义为等熵效率。 4 原级组初步分析结果 表 1 给出了级组的优化工况 ， 首先应用商用 软件 N U ME C A对原设计级组在该工况下进行 了 分析 ， 图 3 、 图4和图5分别给出了计算的残差的 收敛曲线图、 总总效率收敛 曲线图和扭矩收敛曲 线图。如 图 6 、 图 7和 图 8给出 了次末 级动 叶 1 2 ． 5 ％叶高处流场的速度 图和该处流道涡情况。 图9相应给出了 1 2 ． 5 ％叶高处的载荷 图。从 以 下几幅图可以看出， 次末级叶片在 1 2 ． 5 ％叶高处 有明显的涡存在， 增加 了该处的流动损失， 主要原 因是由于该处静动叶角度匹配不合理造成的 ， 下 一 节本文将对该处进行具体 的改型和优化设计。 表 1 级 组 优化 工况 入口总焓 k J ／ k g 入 口干度 出口压力 MP a 转速 r ／ m i n 工况 2 5 l 2 ． 7 9 0 ． 9 3 3 1 6 0 ． O 1 3 6 0 0 蜮 士 料 楼 2 8 f i n c o mp u t a i o n 1 ． r e s t 4 9 2 c y c l 薹 j 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一卜一一一一 ～ l 竺型 学 0 ．tl 兰三i三 ‘ 迭代 次数 图 3 计算残差 的收敛曲线图 一 2 8 n j e c o m p u tttio n _ I ．r e j 4 9 2 c y c le i cie nc y ．8 94 9 。 7 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一一 一 一 ‘ ． i i ● ● l - 图6 5 0 ％叶高处流场的速度图 图7 次末级动叶 1 2 ． 5 ％叶高处流场的速度图 图8 次末级动叶 1 2 ． 5 ％叶高处流道涡情况 40 0 0 0 3 8 0 0 0 言3 6 00 0 3 4 00 0 艋 3 2 00 0 3 0 00 0 2 8 0 00 -0 ． 4 6 -0 ． 4 4 0 ． 42 0 ． 4 一O ． 38 Z 图9 次末级 1 2 ． 5 ％叶高处载荷图 一 ⋯ ⋯⋯． 5 优化 改进设计 图 4 总总效率收敛曲线图 ’ 。 。 。 迭代次数 图 5 扭矩收敛 曲线图 囡l ● 鬟 本节首先针对上节的分析结果 ， 对静叶进行 改进 ， 调整了静叶片的进 出气角， 特别是出气角 ， 通过这样的调整改善了次末级静动叶之间的匹 配； 然后利用 N u m e c a 一 3 D对次末级动叶片根部截 面 0 ％ ～ 2 5 ％叶高范围 及子午面 s h r o u d线进行 优化。在本次优化过程 中， 数据库样本设定为 5 0 个 ， 其中若生成负网格和计算未收敛的样本为无 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 汽轮机叶片改型及三维气动优 化设计 热力透平 效 样 本 ， 目标 函 数 是 整 个 级 组 的 总 总 效 率 。 图 l 0 、 图 I 1和图 l 2分别给 出了优化后级组计算 的 残差收敛曲线 图、 总总效率收敛 曲线 图和扭矩收 敛曲线图。图 l 3给出了优化后级组子午面的速 度图。图 1 4、 1 5给 出了次末 级动 叶 1 2 ． 5 ％ 叶高 处 流场 的速 度 图 和该 处 流 道放 大情 况 。 图 1 6相 应给出了 1 2 ． 5 ％ 叶高处 的载荷 图。从 图 7、 8与 图 1 4、 1 5比较 可知 ， 通 道 涡 的强 度得 到 了有效 的 削弱 ， 影 响范 围也得 到 了控制 ， 这 主要是 由 于对静 动叶的优化设计改善了动叶片进气冲角的位置 ， 减小 了次末级 动叶片在根部 的冲角 ， 降低 了叶片 的型 面损 失 ， 基 本 消除 了该 处 的通 道 涡 ， ， 气 动性 能得到了改善 ， 从载荷图 9和图 l 6的比较可 以得 到验证。表 2对优化后结果和原模型的总体性能 参数进行 了比较。可以看出， 与原方案相 比， 由于 增大了次末级 静叶的出 口气流角 ， 使得流量 比原 来增加 了 1 2 ． 6 ％ ， 同时 ， 级组 的总总效率提高 了 1 ． 5 4个 百分 点 ． ． --b - 母 Ⅱ j 加j 迭 代次 数 图 1 0 计算残差 的收敛 曲线 迭代 次数 图 1 1 总总效率 收敛 曲线 图 迭 代次敬 图 l 2扭矩收敛 曲线 图 图 1 3 5 0 ％ 叶高处流场的速度 图 图 1 4 次末级动 叶 1 2 ． 5 ％叶高处流场的速度图 图 1 5 次末级动叶 1 2 ． 5 ％ 叶高处流道放大情况 4 20 0 0 4 00 0 0 箍3 8 00 0 3 6 00 0 3 40 0 0 -0． 4 6 -0 ． 4 4 0 ． ,4 2 0． 4 一 O 3 8 Z 1 6 次末级 1 2 ． 5 ％叶高处载荷图 冀 蒸 囊圈 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1期 汽轮机 叶片改型及 三维气动优化设计 表 2 级组总体 性能比较分析 6 结论 本文基于 C F D方法， 应用 N U ME C A软件包 的 D e s i g n 一 3 D模块对某低压 叶片级组进行 了三维 叶片扭曲规律的优化， 从原级组 叶片的分析结果 看 ， 次末级动叶 1 2 ． 5 ％叶高处存在明显 的涡 ， 经 过优化， 消除了该通道涡 减小 了级组的流动损 失 ， 提高了级组的效率。从最终选择 的方案可 以 看出， 本次改进优化基本达到了预期效果。本文 对亚音速叶片进行扭 曲规律优化效果 比较 明显， 并将人工神经网路与遗传算法相结合来进行三维 流道的改型优化设计 ， 对于多级叶轮机械的优化 设计具 有普遍性 的方法 意义。 参考文献 [ 1 ]蔡颐年． 蒸汽轮机 [ M] ． 西安 西安交通大学 ， 2 0 0 6 ． [ 2 ]宋立 明． 基于进化算法的轴流式叶轮机械 叶栅气 动优化设计 系统的研究[ D] ． 西安交通大学博士学位论文 ， 2 0 0 6 ． [ 3 ]H e r z o g N，G u n d o g d u Y，K a n g G，S e u m e J R ． O p e r a t i o n o fa F o u r S t a g e T u r b i n e [ A] ．A S ME P a p e r G T 2 0 0 5 6 8 7 0 0． 2 0 0 5 ． [ 4 ]王乃宁， 张志刚． 汽轮机热力设计 [ M] ． 北京 水利电力 出版 社， 1 9 8 7 ． [ 5 ]王福军． 计算流体动力学分析 [ M] ． 北京 清 华大学 出版社 ， 2 0 0 6． [ 6 ]隋永枫 ， 孙 义冈， 丁旭东 ， 等． 不调频 叶片设 计改型研究 [ J ] ． 热力透平 ， 2 0 1 0 ， 3 9 1 1 92 1 ． [ 7 ]李军， 邓清华 ， 丰镇平． 基于进化算法的压气机叶型多 目标 优 化设计 [ J ] ．电机工程学报 ， 2 0 0 4， 2 4 I O 2 0 52 0 9 ． [ 8 ]金东海 ， 桂幸民． 应用 多 目标遗传算法 的叶栅气 动优化设计 [ J ] ．航空动力学报 ， 2 0 0 7 ， 2 2 2 2 8 5 2 9 0 ． [ 9 ]陈波 ， 高学林 ， 袁新． 基于 N U R B S的叶片全三维气 动优化设 计 [ J ] ． [ 程热物理学报 ， 2 0 0 6 ， 2 7 5 7 6 37 6 5 ． [ 1 0]祁明旭，康顺． 四级轴流涡轮变工况数值分析 [ J ] ．热力透 平 ， 2 0 0 5 ， 2 3 5 7 37 7 ． [ 1 1 ]祁明旭． 轴流透平级 内三维复 杂流 动的数值模拟及小 展弦 比叶栅 的特 性 试验 [ D] ． 西安 交 通 大学 博 士 学位 论 文 ， 2 0 0 0． [ 1 2 ]姚 四伟 ， 葛宁 某型燃气涡轮起动机涡轮级与喷管一体化三 维流场数值计算[ J ] ． 航空发动机 ， 2 0 0 6， 3 2 3 1 72 0 ． ⋯】 ⋯⋯，⋯⋯⋯一⋯一一⋯～⋯⋯一⋯⋯⋯⋯⋯一一⋯⋯⋯】⋯】⋯ 上接第 1 0页 参考文献 [ 1 ]严宏强 ， 程钧培， 都 兴有， 等． 中国电气工程大 典第 4卷火力 发电工程 上 [ M] ． 北京 中国电力出版社 ， 2 0 0 9 ， P 4 8 4 ． [ 2 ]张晓霞． 提高大型汽轮机综合运行经济性的途径[ J ] ． 热力透 平 ， 2 0 0 9， 3 8 4 2 1 3 2 1 6 ． [ 3 ]H e L ．C o m p u t a t i o n of U n s t e a d y F l o w T h r o u g h S t e a m T u r b i n e B l a d e R o w s a t P a r t i a l A d mi s s i o n i J ，P r o c o f I M e c h E． J o u r n a l o fP o w e r a n d En e r g y，1 9 9 7， 21 1 1 9 72 0 5． [ 4]B o h n D E， F u n k e H H． 一 W．E x p e r i m e n t a l I n v e s t ig a t i o n s i n t o t h e N o n u n if o m F l ow i n a 4 - S t a g e T u r b i n e w i t h S p e c i a l F o c u s o n t h e F lo w E q u a l iz a t i o n i n t h e F i m t T u r b i ne S t a g e l C j ．P r o c e e d i n g s o f AS ME T u r b o Ex p o 2 0 0 3P o w e r f o r l a n d，S e a a n d Ai r ，G T 2 0 0 3 3 8 5 4 7，2 0 0 3 ． [ 5] F r i d h J E，B u n k u t e B，F a k h r a i R， F r a n s s o n T H ． A n E x p e r i me n t a l S t u d y O n Pa r t i a l A d mi s s i o n i n a T wo S t a g e A x i a l A i r T e s t T u r b i ne w i t h Nu m e r i c a l C o m p a r i s o n s[ C] P r o c e e d i n g s o f AS ME Tu r b o E x p o 2 0 0 4Po we r f o r l a n d，S e a a n d Ai r ，GT 2 0 0 4 囵I_ 一 5 3 7 7 4，2 0 0 4． 6 ]H u s h m a n d i N B， Hu J ， F fi d h J ， F r a n s s o n T H ．N u mer ic a l S t u d y of U n s te a d y Ho w P h e n o me n a i n a P a r t i a l A d mis s io n A x i a l S t e a m T u r b i n e 『 C 1 ．P r o c e e d in g s o f A S ME T u r b o E x p o 2 0 0 8 P o w e r f o r l a n d，S e a a n d Ai r ，GT 2 0 0 8 5 0 5 3 8，2 0 0 8 ． [ 7 ]朱 予东， 秦 占峰 ， 史新刚 ， 张婷． 6 0 0 M W 汽轮机组顺 序阀运行 方式研究 [ J ] ．汽轮机技术 ， 2 0 0 8 ， 5 O 2 1 3 91 4 5 ． [ 8 ]郭瑞 ， 杨建刚． 汽轮机进汽方式对调节级 叶顶间隙蒸汽激 振 力影响的研究[ J ] ． 中国电机工程学报 ， 2 0 0 6， 2 6 1 81 1 ． [ 9 ]晏 鑫， 李军 ， 丰镇平 ， 等．大功率汽轮机调节级全三维气动性 能的数值研究[ A] ． 工程热物理年会 ， 重庆 ， 2 0 0 6 ． [ 1 O]X i n Y a n ， J u n L i ，Z h e n p i n g F e n g ，G a n g y u n Z h o n g ，Q i l i n Wu ， J i a n l u Wa n g ． C o m p u t a t i o n a l H u i d Dy n a mi c s A n a l y s is A p p r o a c h T o t h e A e r o d y n a mic P e rf o r ma n c e of a N o z z l e C o n t r o l l i n g S t a g e _厂 0 r A 6 0 0 MW S t e a m T u r b i n e[ C M] ．P r o c e e d i n g s o f t h e I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n P o w e r E n g i n e e r i n g 2 0 0 7 ，Z h i a n g Un i v e r s it y P r e s s＆ S p r i n g e r P r e s s ，2 0 0 7 1 3 9 41 4 0 0． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m