资源描述：
第 4 0卷第 2期 2 0 1 1年 6月 热力透平 TH E R M A L T U a BIN E 6 6 0 MW 汽轮机 低 压排 汽缸 联合 末级整 圈叶 片 气动 性 能研 究 王科军， 杨锐 ， 史立群， 杨建道 上 海电气电站设备 有限公 司上海汽轮机厂 ， 上海 2 0 0 2 4 0 摘要 为 了减少汽轮 机低 压端排汽余迭损失 ， 设计具有较 大压 力回收能力 的低 压排 汽缸对 整个机组 的效 率 提升具有非常重要 的意 义。对 6 6 0 MW 的汽轮 机低 压缸 进行 了 C F D数值模拟 ， 考虑到低 压缸流动 具有不对称 性 、 强三维流动的特 点 ， 选择末级整 圈叶片和低压排 汽缸 一起 作为研 究对 象， 研 究结果表 明该低压缸具有较好 的气动性能 ， 能有效地将 末级余速损 失转化为压力能回收。 关键词 6 6 0 M W 汽轮 机 ； 排 汽损 失； 数值模拟 中图分类号 T K 2 6 3 ． 3 一 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 2 5 5 4 9 2 0 1 1 0 2 0 0 7 5 0 3 Re s e r c h o f Ae r o d y n a mi c Pe r f o r m a nc e f o r La s t St a g e Ent i r e Ci r c l e Bl a de s o f S t e a m Tur b i ne LP Cy l i nd e r WA NG K e - j u n，Y A NG Ru i ，S HIL i q u n，Y A NG J i a n d a o S h a n g h a i E le c t r i c P o w e r Ge n e r a t i o n E q u i p me n t C o ． ，L t d ．S h a n g h a i T u r b i n e P la n t ， S h a n g h a i 2 0 0 2 4 0 ， Ch i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o r e d u c e t h e l e a v i n g v e l o c i t y l o s s o f s t e a m t u r b i n e L P e x h a u s t ，i t i s o f g r e a t s i g n i fi c a n c e t o de s i g n LP c y l i nd e r wi t h a g r e a t e r p r e s s u r e r e c y c l i ng a b i l i t y S O a s t o p r o mo t e t he e nt i r e u ni t ’ S e f f i c i e n cy ．Th i s a r t i c l e h a s s h o w e d t h e C F D n u me ri c a l s i mu l a t i o n t o t h e 6 6 0 MW s t e a m t u r b i n e L P c y l i n d e r ．Du rin g t h e n u me r i c a l s i mu l a t i o n， t he fl o wi n g di s s y mme t r y o f LP c y l i n de r a nd t he s t r o n g t hr e e di me ns i o n a l f l o w c h a r a c t e r i s t i c we r e t a k e n i n t o a c c o u n t a n d m e a n w h i l e ， t h e e n t i r e c i r c l e l a s t s t a g e b l a d e a n d L P c y l i n d e r w e r e s e l e c t e d a s r e s e a r c h o b j e c t i v e ．T h e fi n d i n g s i n d i c a t e d t h a t t h i s LP c y l i n d e r h a s g o o d a e r o dy n a mi c p e r f o r ma nc e，a nd i t c a n e f f e c t i v e l y t r a n s f o r m t h e l a s t s t a g e l e a v i n g v e l o c i t y l o s s a s t he p r e s s u r e e n e r g y r e c y c l i ng ． Ke y wo r ds 6 6 0MW s t e a m t ur b i n e； e x ha us t l e a v i ng v e l o c i t y l o s s ； n ume ric a l s i mul a t i o n 汽轮机中， 低压排汽缸系统连接着末级叶片和 凝汽器 ， 主要由扩压器 、 排汽蜗壳和起支撑作用的 筋板和撑管组成。扩压器和排汽蜗壳通常为轴 向 进汽单侧排汽形式。在实际运行工况下， 汽轮机末 级出口流场具有强烈的预旋和不均匀的压力分布 ， 这样的流场结构影响排汽缸的气动性能； 同时非轴 对称的排汽缸也会在汽轮机 出口位置产生不均匀 的压力场， 影响汽轮机末级叶栅 内的蒸汽流动 。 因此， 在设计高性能的排汽缸时应该考虑末级叶片 与排汽缸流场之问的相互作用。一般而言 ， 排汽缸 和末级叶片气动性能研究基本上是相互独立的， 即 对排汽缸气动性能分析时一般采用均匀的进 口条 件 ， 但这样的分析计算很难掌握排汽缸真实的气动 性能和流场结构 ] 。本研究项 目将开展耦合汽 轮机末级整圈叶片与排汽缸的计算系统， 进行排汽 缸气动性能和流场结构的分析研究 ， 给出变凝汽器 背压下的排汽缸排汽损失曲线。 1 数值计算方法 排汽缸流场结构和气动性能的研究主要包括 全尺寸实验 、 模型试验 、 数值模拟和理论分析相互 结合的方式。全尺寸实验是在真实的汽轮机和排 汽系统上开展性能试验 。模型试验是将排汽系统 按 比例制成模 型， 根据相似理论将模型上测量数 据转化为实际机组的相关数据 。模型试验是研究 收稿 日期 2 0 1 1 0 31 6 修订 日期 2 0 1 1 0 4 2 1 作者简介 王科军 1 9 7 8一 ， 男 ， 毕业 于西安交通大学 ， 本科 ， 工程师 ， 从事汽轮机技术研发工作。 | i l l ■重 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2期 6 6 0 MW 汽轮机低压排汽缸联合末级整圈叶片气动性能研究 机理和规律的有效方法。而新近发展的三维数值 模拟技术在排汽缸流场结构和气动性能分析以及 优化设计方面发挥了巨大作用。 本文选择数值模拟技术对低压排汽缸的气动 性能进行研究， 研究对象选取见图 1 、 图 2 图 1 低压排汽缸几何模型 图 2 末级整圈叶片几何模型和网格 对排汽缸和末级叶片级进行 网格划分后 ， 对 计算模型进行全三维流场求解。流动控制方程为 三维 N S方程 V Q 其中， ， 和F 分别是无粘通量和粘性通量 ， Q为 源项 。 u 一 一 一 F l } l i x f i l B i z ’ 一 一 Fv { ni I { i ， j ni z p ～ p wl ～ pw2 ～ pw3 一 ～ pE } l t p l P 6， P’6 2 | 斌 P 8 3 i 2 p 一 } l 源项 Q包括哥氏力和离心力 的作用 ， 叶轮机流场 可忽略体积力 ， 有 Q 0 0 一 [ 2 o J W 一十 X 7 】 Pw f O ． 5 o ； 2 ／ ． 2 O 空间离散采用 中心差分格式 ， 时间离散采用 二阶向后欧拉格式 ， 湍流模型选择两方程标准 k ． ￡模型。计算边界条件采用级进 口给定蒸汽焓值 和干度， 而级出 口给定平均静压力 。计算工质的 性质采用水蒸汽热力性质表 I A P WS I F 9 7中对应 的水蒸汽性质。 2 排汽缸性能参数及流场细节 2 ． 1 性能参数 为了量化排汽缸的性能 ， 选取 以下性能参数 作为考核依据 排汽缸截面损失系数 进 口总压 一当地总压P 一 P 一 进 IS l 总压 一P 总压损失系数 进 E l 总压 一出口静压P p z 进 口动能 一 z 静压恢复系数 出口静压 一 进 口静压p z p 一 一 进 口动能 一 1 l 口 排汽缸损失系数 1 一 表 1 为不同计算工况下末级叶片气动效率和 排汽缸的压力恢复系数 ， 从表中可 以看 出， 低压末 级的气动效率在大流量下大于小流量工况。工况 1 和 2基本在 9 2 ％ 以上 ， 而流 量降低 时 ， 低压 末级 的效率随之降低。所计算的 4种工况下的排汽缸 静压恢复系数较高， 表明排汽缸设计优 良， 具有很 高的静压恢复能力。 表 1 低压末级与排汽缸耦合计算结果 圈重 I I II ● A o 一 g 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 6 6 0 MW 汽轮机低压排汽缸联合末级整圈叶片气动性能研究 热力透平 2 ． 2 流动 细节 排汽缸的流动受末级叶片的影 响非常 大， 限 于篇幅， 本文 选取 工况 1进行流场 分析。从图 3 的末级 叶片气动参数分布可 以看 出， 由于末级叶 片相对径高比较小 ， 气动参数沿 叶高分布变化较 剧烈 ， 从径向平衡 的角度来讲 ， 末级叶片的压力分 布从根到顶 的梯度较 大， 这不仅是 由于叶片的离 心力引起 ， 还有一部分来 自于流线 曲率 的作用 。 因此在 末级 长 叶 片 的设 计 时 ， 对 根 部 反 动度 的控 制是极为重要的。从图 4的曲线可以看到该末级 叶片根部的反动度在 0 ． 5左右 ， 满足设计要求。 1 0． 9 O． 8 0． 7 惶 0 ．6 暑 o ． 5 霉 o． 4 O3 O． 2 0． 1 0 0 静叶 出口压力马赫数等值线云图 图 3 低压末级沿轴向三个特征截 面的静 压和马赫数 等值线云图 工况 1 最大流量低背压 与赫 数 a静叶 出口马赫数分布 图 4 末级叶片反动度分布 图 5为 排 汽缸 的三 维流 线 图 ， 从 图 中 可 以看 出， 蒸汽通过排 汽导流环和导流锥 的引导作用 ， 流 动方向由轴向转 为径 向进入凝汽器 ， 由于轴 向尺 寸的限制 ， 在气流转向的过程中， 同时通过扩散段 通流面积的增加 ， 实现将末级动能转化为压力能 的扩压作用。这从图 6的垂直中分面和水平中分 面上的压力分布可以看出。 图7所示为排汽缸特称截面损失系数 ， 从 图 中可以看出， 损失主要发生在扩压段靠 近导流环 一 侧 ， 以及排汽缸扩压器下游的流动区域 内。由 反 动度 b末级反动度分布 图 5 排汽缸 维流线图 图 6 垂 直中分面和水平中分面压力分布图 下转第 8 1页 豳 _ 囫 0 O 0 O O O 0 O O 惺古 9 4 o 5 0 6 以 卫m 一 卅 ． 一 1lt 9 8 7 6 4 3 2 P 隧 ■ 隧 融麓 置 彝 888 S02469 3 ， 舢 m 肌 舢 川 4 }l 9 8 7 6 5 5 4 p 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 大型火 电机组汽轮机通流状态评估技术 的分析 应用 热力透平 评估结果图表上显示如图 1 所示。 裂 辎 裁罪 磬 辆 媛 娶 蟮 嚣 赠 恒 轻 重 藕 斌 匾 占 辑 霄 旧 匿 量 L 辖 琼 璺 筐}- 丑 L 图 1 汽轮机大修开缸后经济性状态评估 结果 从计算结果来看 ， 影响汽轮机通流效率的主 要 因素是叶片表面粗糙度增加 ， 其次是汽轮机汽 封泄漏 ， 包括汽轮机轴封泄漏 、 叶顶汽封泄漏及级 间汽封泄漏 ； 汽轮机通流损坏 因素主要是汽轮机 叶片表面沉积物。 根据汽轮机大修后开缸的通流状态经济性评 估结果 ， 可以确定汽轮机 大修 中的重点为叶片表 面打磨及清理 ， 以及汽轮机轴封间隙的调整。 上接第7 7页 于末级动叶顶部超音速流动 ， 高马 赫数流动在扩散段内加速流动容易使得导流环侧 流速增大 ， 易发生流动分离 ， 在扩压器下游的气流 形成两个较大尺度的通道涡 ， 涡流 的耗散性作用 使得该部分区域的流动损失显著增加。 图 7 损失系数分布 3 总结 本文通过数值模拟方法对排汽缸和末级叶片 4 结 论 通 过对影 响 汽轮机 通 流效率 的各 项因 素 的分 类阐述 ， 以及对其作用机理的分析 ， 本文介绍 了汽 轮机通流状态经济性评估技术。特别是通过对某 一 6 6 0 MW 大 型汽轮 机通 流状 态评 估实 例 的介 绍 ， 进一步证明了汽轮机通流状态评估技术在汽 轮机检修决策 中的优点与重要作用 。 预计汽轮机通流状态评估技术在未来大型汽 轮机通流效率分析及检修决策中具有广泛的应用 前景， 希望本文能 为未来 的汽轮机通流状态评估 技术 的工程应用 ， 起到积极的推进作用。 参考文献 [ 1 ]沈士一． 汽轮机原理 [ M] ． 中国电 力出版社 ， 1 9 9 2 ． [ 2] K ．C ． C o t t o n ， E v a l u a t i n g a n d I mp r o v i n g S t e a m T u r b i n e P e r f o r m a n c e [ M] ， N e w Y o r k C o t t o n F a c t l n c ． ，1 9 9 3 [ 3 ]R o e d i g e r ，P a u l F ． ，“ O p e n i n g a n d C l o s in g F u r b i n e S t e a m P a t h Au d i t s Us i n g t h e S t e a m Tu r b i n e P e r f o rm a n c e Ev a l u a t i o n e S T P E P r o g r a m Ve r s io n 7 ． 2 ” ，F e b r u a 2 0 ，2 0 0 3 [ 4]P a u l E ．B a b s o n ，“ T u r b i n e S t e a m P a t h A u d i t s f o r I m p r o v e d P e r f o r ma n c e a n d P rofi t a b i l i t y”，J u n e 6，1 9 9 4 [ 5]D e b o r a h H．C i o f fi，“I m p r o v i n g S t e a m T u r b i n e E ffic i e n c y ”， Au g u s t 1 5，1 9 9 6 的流动进行了研究 ， 研究结果表明 该末级叶片和 排汽缸的气动设计 良好 ， 末级叶片气动性能较高 ， 排汽缸压力恢复能强。通过计算发现排汽缸的流 动受末叶片气动参数影响较大 ， 因此在今后设计 的过程中应考虑将末级叶片和排汽缸进行联合设 计 ， 以确保满足设计要求 。 参考文献 [ 1 ]L e y z e r o v i e h ， A S ．S t e a m T u r b i n e s f o r Mo d e r n F o s s i l F u e l P o w e r P l a n t s [ M] ．C R C P r e s s ，T a y l o r F r a n c i s G r o u p ， 2 0 0 7 1 3 5 1 6 8 ． [ 2 ]樊涛 ， 谢永慧． 汽轮机排汽通 道复杂流 动数值模拟 研究 的进 展与现状 [ J ] ． 热力透平 ， 2 0 0 7 ， 3 6 3 1 4 31 4 9 ． [ 3 ]孔祥林． 汽轮机 低压 排汽缸 气动 性能分 析和 结构改 进设计 [ D] ．西安交通大学工学硕 士学位论文 ， 2 0 0 5 ． [ 4 ]付经伦． 轴流透平级与非轴对称排汽系统非定常相互作用研 究[ D] ．中国科学院工程热物理研 究所工学博 士学位论文 ， 2 o o 7． iiiiiiiliiiiiiii W il l 圈 卯 牾蚰H勰”“雌∞ 贼 № 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m
展开阅读全文
