叶顶间隙对于汽轮机排汽缸气动性能的影响-.pdf

第4 l卷第 2期 2 0 1 2年 6月 V0 1 ． 4 1 No ． 2 J un ． 2 O1 2 叶 顶间隙对于 汽轮机 排 汽缸 气动 性能 的影响 史立群， 杨建道 ， 杨锐， 彭泽瑛 上海电气电站设备有 限公 司， 上海 ， 2 0 1 1 0 8 摘要 介绍 了汽轮 机末级动叶叶顶间隙对 于汽轮机排 汽缸 性能的影响 ， 通过耦合 末级 叶片 的排 汽缸 气动数 值模拟来考察这一影响， 发现排汽缸 内的流场情况会随着间隙漏汽量的不同而产生变化， 表征气动性能的压 力恢复系数也随之变化。研究表明， 叶顶间隙射流对于排汽缸 内流场的影响是不可忽略的， 在以后的排汽缸 气动设计及优 化工作中需要 考虑 叶顶 漏汽射流 关键词 汽轮机排汽缸 ； 气动性能 ； 数值模拟 ； 叶顶间隙 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 2 0 2 0 1 5 6 0 4 I nflu e nc e o f Bl a d e Ti p Cl e a r a n c e o n Tu r b i ne Ex ha u s t Ho o d Ae r o dy na mi c Pe r f o r m a nc e S H I L i q u n， Y A NG J i a n d a o ， Y A NG R u i ， PE NG Z e y i n g S h a n g h a i E l e c t r i c P o w e r Ge n e r a t io n E q u i p me n t C o ． ， L l d ． ， S h a n g h a i 2 0 1 1 0 8 ， Ch i n a Ab s t r ac t T h e i n fl u e n c e o f b l a d e t i p c l e a r a n c e o n t u r b i n e e x h a u s t h o o d a e r o d y n a mi c p e r f o r ma n c e i s i n t r o d u c e d a n d t h e n u me r i c a l s i mu l a t i o n me t h o d c o u p l i n g w i t h b l a d e s c a n b e u s e d t o a n a l y z e t h i s e ff e c t ．I t i s d i s c o v e r e d t h a t t h e fl o w fi e l d i n t h e e x h a u s t h o o dand p r e s s u r e c o e f fi c i e n t wil l v a r ywit hthe d i ff e r e n t fl u x o f l e a k a g efl o w ．T h e s t u d y s h o w st h a t t h e e ff e c t o f t i p l e a k age fl o w i s u n n e g l i g i b l e an d s h a l l b e c o n s i d e r e d i n t h e e x h a u s t h o o d a e r o d y n a mi c d e s i g n a n d o p t i m i z a t i o n i n t h e f u t ure ． Ke y wo r d s s t e a m t u r b i n e e x h a u s t h o o d；a e r o d y n a mi c p e rf o r ma n c e；n u me r i c a l s i mu l a t i o n；b l a d e t i p c l e a r a n c e 汽轮机排汽缸 的气 动性能直接影 响到汽轮 机机组 的效率 ， 其气 动性 能的优 劣主要 取决 于 两大因素 ， 其一是排汽缸进 口的流场情况 ； 其 二 为排汽缸 自身 的几何 结构 ， 包 括排汽 缸 的总体 尺寸 、 扩 压段导 流环 以及导 流锥 的型线 等。排 汽缸进 口的流 场情况 会 随着 流量 的大小 、 叶片 结构的不 同而 发生改 变。其 中， 某些 动 叶没 有 围带 ， 在 叶顶处会产 生漏汽射流 ， 这也会 导致排 汽缸进 口流场的改变 。 近年来 ， 许多学者对排汽缸气动性能进行 了 数值模拟计算 和吹风试验研究 ， 但大部分研 究仅仅对排汽缸进行单独分析 ， 仅仅考虑 了上文 提及的排汽缸 自身几何结构的影响， 而忽略 了另 一 主要 因素 排汽缸进 口的流场分布。最近 ， 部 分研究人士注意到了这点 ， 对汽轮机排汽缸和叶 片进行 了耦合计算分析 j ， 验证了排汽缸进 口流 场对于其气动性能有着显著 的影 响。随着计算 流体力学 C F D 和计算机技术的发展 ， 使对汽轮 机排汽缸进行大规模 的数值模拟计算成为可能。 利用 C F D方法可 以快速准确地了解 排汽缸 内蒸 汽的流动情况 ， 分析不同边界条件对其气动性能 的影 响 。 本文利用 C F D方法对某 6 0 0 Mw 汽轮机的末 级叶片和排汽缸进行了联合建模 ， 其中的末级动 叶没有围带 ， 存在叶顶问隙漏汽 ， 希望通过这一特 定模型来研究叶顶漏汽射流的大小对于汽轮机排 汽缸气动性能的影响。 l 研 究方 法 大量论文表明 ， C F D方法可 以很好 地应用 于 排汽缸气动性能的计算 ， 并对结果进行可视化的 处理 ， 最终得出可靠 的结论 。笔者采用商业 C F D 软件进行了排汽缸气动性能的数值模拟计算 。 收稿 日期 2 0 1 11 1 1 1 修订 日期 2 0 1 2 0 3 2 0 作者简 介 史立群 1 9 8 2一 ， 男 ， 江苏丹阳人 ， 毕业 于上海交通大学 ， 硕 士， 工程师 ， 主要从事汽轮机气动设计工作。 固-- 羹 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 叶顶 间隙对于 汽轮机 排汽缸气动性能的影响 热力透平 1 1 几何模型与边界条件 整个计算 区域包括末级叶片和排汽缸 ， 其 中 静叶高度为 8 4 5 m m， 动叶高度为 9 0 5 m m， 有 3个 不同的动 叶叶顶 问隙 ， 分 别为 3 m m、 6 ． 1 mm和 9 m m； 排 汽 缸 的 三 维 尺 寸 分 别 为 3 7 7 2 mm、 6 6 8 0 m i l l 和 6 8 6 0 m i l l 。计算中忽略了排汽缸内撑 管和筋板结构 ， 主要研究 叶顶问隙漏汽射 流。图 1 、 图 2为叶片和排汽缸的三维模型。其 中计算 区 域进 口为末级静叶进 口， 进 口条件为质量流量 、 静 温和干度 ； 出口为排汽管道 ， 边界给定为静压 。 l 一、 、、 ／ l J 0 ／ 图 l 叶片和排汽缸三维模型 a 叶 片级 b 排 汽 缸 图 2网格情况示意 图 1 ． 2 几何模型的网格划分 为提高网格质量 ， 针对不 同的几何结构采用 不 同的网格类型。叶片级 中采用结构化 的网格 ， 可以保证前缘和尾缘处 的网格 质量 ， 而在排汽缸 中则应用非结构化 网格 ， 以便更好地适应复杂 的 几何细节。叶片级的网格总数为 5 0万个 ， 排汽缸 的网络总数为 1 0 0万个。 1 ． 3 控 制 方程 的求解 所求解流场的控制方程为稳态的三维 NS 方程 、 能量方程以及连续性方程 。 离散偏微分方程方法为有 限控制容积法 ， 差 分格式为混合差分。为使控制方程封 闭， 采用 了 标准 一占模型 ， 对于雷诺数较低的近壁面则采用 壁面函数法 。动静网格交接面 动 叶出口和排汽 缸进 口、 静 叶出 口和动 叶进 口 采用 混合平面法 进行数值传递。 1 ． 4排汽缸气动性能的评价指标 根据所得 的排汽缸进 出 口总压和静压等参 数 ， 计算 出排 汽缸 的静压损 失 系数 和 总压损 失 系数 等数据 ， 以 比较分析 排汽 缸 的气 动性 能 。 二 二 i c P nPi n ⋯ C2 P nPi n 式 中 p 、 P 、 P i 、 分别 为排汽缸进 口汽流 的平 均静压 、 总压 、 密度和速度 ； p 为排汽缸 出口 汽流的平均静压和总压。 2 计算结果分析 2 ． 1 叶顶漏气对于排汽缸气动计算的影响 当叶片叶顶存 在 间 隙时 ， 会有 部分 蒸 汽通 过该 间隙流 向排 汽缸 。图 3比较 了 有无 叶顶 间隙时排汽缸 内的流场 ， 由 图中可 以清楚地 看 出 ， 由于叶 顶 间 隙的存 在 ， 导致 了排 汽缸 进 口 的流场产生 了很 大 的变化 。首 先 ， 从压 力场 的 分布来看 ， 沿径 向 的压 力 梯 度增 大 ， 叶顶 处存 在 明显 的更 大 范 围 的低 压 区。再从 速 度 矢 量 图 中可 以发现 ， 叶顶处 的速 度 明显 高 于其他位 置 ， 这是 由于 叶顶射 流 没 有经 过 动 叶做 功 ， 该 位置 的速度 仍 为静 叶 出 口的速 度所 致 。这 一 速度具有较大的切 向分量 ， 与一般 动 叶出 口速 度方向基本为轴线有所不同， 该切向分速度抑 制了导流环 附近 的流动分 离 ， 是下 文提 及 的静 压恢 复系数增 大 的主要原 因。图4为 叶片级 中 叶顶 测得的速度矢 量分 布 ， 同样可 以发 现 叶顶 射 流的存在 。 ● I 固 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 叶顶间隙对 于汽轮机 排汽缸气动性能的影响 热力透平 值模拟 [ J ] 热力透平 ， 2 0 0 5 ， 3 4 2 6 9 7 2 ． f 2 ]阳虹 ，王沛 ，张宏 武．汽轮 机排 汽缸 流场 的数值 模拟 研究 [ J ] ．热力透平 ， 2 0 0 7 ，3 6 3 1 5 01 5 2 ． [ 3]王红涛 ， 竺晓程 ， 阳虹 ， 等．基于 i S i g h t 平台汽轮机低 压排汽 缸气动优化设计 [ J ] ．动力工程 ， 2 0 0 9， 2 9 7 5 2 0 5 2 6 ． [ 4 ]陈洪溪 ，薛沐睿．大型空冷汽轮机低压排汽缸几何尺寸对气 上 接 第 1 21页 轮缘三维有限元模型 ， 采用多种优化控制方法对 其进行了优化设计分析 ， 得到了以下主要结论 1 利用参数化语言 A P D L构造 了透平 叶片 、 叶根轮缘的三维有限元模型 ， 并采用零 阶结合 一 阶算法 、 遗传算法 、 粒子群算法 、 模拟退火算法 以 及模式搜索算法来完成叶根轮缘型线的多变量优 化设计是可行的。计算 中得 到了叶根轮缘关键尺 寸的设计优化值 ， 大大降低 了叶根轮缘 的最大等 效应力 ； 2 在采用模式搜索算法优化后 ， 对于本文 中 的算例 ， 叶根最大等效应力位置不变， 但最大等效 应力变为 3 4 4 ． 1 7 MP a ， 比优化前下 降了8 ． 5 0 ％； 轮 缘最大等效应力位置也不变 ， 数值大 幅度减少到 3 4 1 ． 1 8 M P a ， 比优化前下降了2 0 ． 6 6 ％ ； 3 通过对 比各种优化算法的过程及结果发 现 ， 遗传算法和模式搜索算法较适合进行 叶根轮 缘的优化设计 。模式搜索算法更容易在较短的时 间之内获得优化结果 。综合设计周期和设计精度 两方面因素 ， 确定模式搜索算法为解决叶根轮缘 优化的最优方法。 参考文献 [ 1 ]S o n g WB，K e a n e A，R e e s J ，B h a s k a r 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y ，1 9 6 1 8 2 1 22 2 9 ， 麓 ● I 啊 匿 I 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m