叶顶汽封漏汽对汽轮机排汽缸气动性能的影响-.pdf

第 5 7卷 第 1 期 2 0 1 5年 2月 汽轮机技术 TURBI NE TECHNOL OGY Vo 1 ． 5 7 N o ．1 F e b ． 2 01 5 叶顶汽封漏汽对汽轮机排汽缸气动性能的影响 杨 明， 刘云锋， 周佳慧 哈 尔滨汽轮机厂有限责任公 司， 哈 尔滨 1 5 0 0 4 6 摘要 利用 C F D方法对某汽轮机的末级叶片、 叶顶汽封和排汽缸进行了整圈耦合计算， 考虑了筋板和撑管对流场的 影响 ， 较真实地对低压排汽缸进行了数值模拟， 结果表明末级动叶片叶顶汽封漏汽对排汽缸气动性能有较大影响， 为以后的排汽缸气动设计及优化工作提供了新思路。 关键 词 汽轮机排汽缸 ； 气动性能 ； 数值模拟 叶顶汽封 分类 号 T K 2 6 3 ． 2 文献标识码 A 文章 编号 1 0 0 1 。 5 8 8 4 2 0 1 5 0 1 - 0 0 0 6 - 0 3 I n f l u e n c e o f B l a d e T i p S t e a m S e a l L e a k o n T u r b i n e E x h a u s t Ho o d A e r o d y n a mi c P e rf o r ma n c e Y A N G Mi n g ， L I U Y u n f e n g ， Z HO U J i a h u i Ha r b i n T u r b i n e C o m p a n y L i m i t e d ， H a r b i n 1 5 0 0 4 6， C h i n a Ab s t r a c t By u s i ng CFD me t h o d s， t h e s t e a m t u r b i n e l a s t s t a g e b l a d e s， b l a d e t i p s e a l a nd t he t ur b i ne e x ha u s t h o o d we r e f u l l c i r c l e c o u p l i n g c a l c u l a t i o n， c o n s i d e r i n g t h e e f f e c t o f t h e rib s a n d t h e s u p p o r t p i p e ．T h e mo r e t r u e f o r l o w p r e s s u r e e x h a u s t ho od wa s n ume ric a l s i mu l a t e d． Th e r e s ul t s s h o we d t ha t l a s t s t a g e bl a d e t i p s t e a m s e a l l ea k h a s g r e a t i n flu e n c e o n t he a e r o d y n ami c pe rfo r ma n c e o f t he e x ha u s t h o o d a n d p r o v i d e s a n e w i de a f o r t he f ut u r e e x ha u s t h oo d a e r o d y n a mi c d e s i g n a n d o pt i mi z a t i o n． Ke y wor ds s t e am t ur bi ne e x hau s t ho od；a er ody na mi c pe r f or ma nc e；n um e r i c a l s i m u l a t i o n；bl a de t i p s t e a m s e a l 0 研究背景 低压排汽缸是汽轮机的重要组成部分， 其气动性能直接 影响着整个机组的热效率和经济性 ， 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⋯。近年来 ， 许多学者对排汽缸气动性 能进行 了数值模 拟研究 ， 但大部 分仅仅 对排 汽缸进 行单 独分析， 忽略了排汽缸进 口的流场分布对气动性能的影响， 部分研究人士注意到这点， 验证了排汽缸进口流场分布对其 气动性能有显著影响 ， 史立群等 研究了叶顶间隙射流 对于排汽缸内流场的影响， 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， 但只进行了单通道的末级和 并没有考虑筋板和撑管的排汽缸的数值模拟计算。随着计 算流体力学和计算机技术的发展， 使对汽轮机排汽缸进行大 规模的复杂数值模拟计算成为可能。 本文利用 C F D方 法对 某汽 轮机 的末 级 叶片 、 叶顶汽 封 和排汽缸进行了整圈耦合计算， 考虑了筋板和撑管对流场的 影响， 较真实地对低压排汽缸进行 了数值模拟 ， 并对比了是 否考虑末级动叶片叶顶汽封漏汽对排汽缸气动性能的影响。 1 数值方法 1 ． 1 几何模 型、 网格和边界条件 计算域包括末级静叶、 末级动叶、 叶顶汽封和排汽缸， 为 避免后续计算中排汽缸出口出现回流， 对排汽缸出口进行了 适当的延长。排汽缸几何模型如图 1 所示 ， 由于计算时考虑 了排汽缸的筋板和撑管， 模型较复杂， 利用 I C E M C F D软件 划分了非结构网格， 排汽缸纵剖面放大网格如图2所示 ， 对 排汽缸的入 口和导流环处进行了加密， 网格数为 1 5 3万个节 点 ， 8 8 6万个单元。末级静叶、 末级动叶和叶顶汽封的几何数 值模型 如图 3所示 ， 叶顶 汽封 间 隙为 8 ra m， 叶片 网格 由 T u r b o g r i d软件划 分结构化 网格 ， 叶顶 汽封 由 I C E M C F D划分结 构化 网格 ， 叶顶 汽封剖面网格如 图 4所示 。整个计算域 的网 格 总数为 4 0 9万个 网格节点 。 图 1 排汽缸几何模型 由于汽轮 机组 一般 定 背压 运行 ， 则 出 口给定 机组 的背 压 ， 进口为末级静叶进 口， 进口给定总焓值和质量流量， 湿蒸 汽的计算选用平衡相变模型。 收稿 日期 2 0 1 4 - 0 9 1 9 作者 简介 杨明 1 9 8 5 一 男 ， 黑龙江人 ， 硕士 ， 设计工程师 ， 主要从事汽轮机流场计算 及流固耦合相关工作 。 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 8 汽轮机技术 第 5 7卷 1． O 0． 8 {喧0 ．6 0． 4 O． 2 0． 0 1 ． 0 0． 8 l 坦 0 ． 6 古 霞 0． 4 0． 2 0． 0 ／ ／ I 厂 7 ， ／ ／ ／ ／ ／ 70 80 9 0 1O 0 11 0 1 20 绝对汽 流角／ 。 n 1有叶顶汽封 、 L ＼ - 1 ／ ／ ／ ／ ／ ／ 7 0 8 0 90 1 0 0 1 1 0 12 0 绝对汽流角， 。 b 1 无叶顶汽封 图 8 动叶子午面 出口平均绝对汽流角沿叶高分 布 由于其它条件相 同 ， 只是有无叶顶汽封 ， 结果表 明 ， 叶顶汽封 漏汽造成 的动叶出 口顶部 有较 大 的速 度且保 有着 静 叶出 口 速度 的切 向分量 是抑制导流环 处分离 的主要原 因， 也是静压 恢 复系数增 大的主要 原因。 2 ． 2 有无叶顶汽封漏汽静压恢复 系数和总压损失 系数对 比 3种数值模型的静压恢复系数和总压损失系数如表 1所 示 ， 由表 中可 以看 出 ， 有 叶顶 汽封 和整圈 末级 叶片 的排汽缸 数值模型静压恢复系数是最大的且总压损失系数也最小， 其 主要原 因如上面分析是叶顶汽封漏汽造成 的 ； 由表 1中也 可 以看出有叶顶汽封 、 整圈末级叶片的数值模型与无叶顶汽 封 、 整圈末级叶片的数值模型的静压恢复系数和总压损失系 数差别较 大 ， 与有 叶顶汽封 、 单 通道 末级 叶片的数值模 型差 别也较大， 所以， 在以后的排汽缸数值模拟计算中应考虑叶 顶汽封漏 汽对排汽缸 的影 响 ， 且在准确考 察排汽缸 的性能时 应进行 整圈末 级叶片和排汽缸的耦合 计算 。 表 l 静压恢复系数和总压损失 系数对 比 3 结论 本文对 有无 叶顶汽封 的整圈末 级 叶片和排汽 缸进行 了 耦合计算， 考虑了筋板和撑管对流场的影响， 较真实地对低 压排汽缸进行了数值模拟 ， 结论如下 1 叶顶汽封漏汽使得排汽缸进 口的流场产生较大变 化， 进而改变了排汽缸的气动性能。 2 叶顶汽封漏汽造成的动叶出口顶部有较大的速度且 保有着静叶出口速度的切向分量是抑制导流环处分离的主 要原因， 也是静压恢复系数增大的主要原因。 3 在以后的排汽缸数值模拟计算中应考虑叶顶汽封漏 汽对排汽缸 的影 响， 且在准确考察 排汽缸 的性 能时应进 行整 圈末级叶片和排汽缸的耦合计算。 参 考 文 献 李军 ， 李志 刚， 等．汽 轮机排汽缸性 能分析 和气动设计 的研 究进展 [ J ] ．热能动力工 程 ， 2 0 1 3 ， 4 2 1 1 8 ． 刘艳 ， 李宇峰 ， 等．6 0 0 M W 空冷汽轮机低压排汽缸流场模拟 和结构优化[ J ] ．汽轮机技 术 ， 2 0 1 0， 5 2 5 3 2 9 3 3 2 ． 程云生 ， 全晓军， 等．汽轮机低压排 汽缸气 动性 能 的数 值研究 [ J ] ．汽轮机技术 ， 2 0 1 0， 5 2 5 3 5 93 6 2 ． 樊涛 ， 谢永慧 ， 等．汽轮机低压 排汽缸与 末两级耦 合流动 的 三维数值模拟[ J ] ．中国电机工程学报 ， 2 0 0 7， 2 7 2 6 9 0～ 9 5 ． 王科军 ， 杨 锐 ， 等 ．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[ J ] ．热力透平 ， 2 0 1 1 ， 4 0 2 7 5 8 1 ． 史立群 ， 杨建道 ， 等．叶顶 间隙对于汽轮 机排汽缸 气动性能 的 影响 [ J ] ．热力透平 ， 2 0 1 2， 4 1 2 1 5 61 5 9 ． ●，-_，-，’’，--’-’’_，-，’’，-，’-，_’’’_’’_ ’-’’，’-’， ● ◆ 启 事 ， 口弓 } ’ ● 9 ◆ 网络上有人冒用我编辑部或以-9我编辑部合作的名义开展稿件征集工 作， 现郑重声明， 我编辑部从未委托任何单位和个人开展稿件征集工作， 请广 大作者投稿时确认以下联系方式， 以免上当受骗。 投稿信箱 q l j j s h a r b i n e l e c t r i c ． c o rn 联系电话 0 4 5 1 8 2 9 5 3 1 7 3 ● ● ◆ ● 汽轮机技-j术／＼＼／ 编左 昙-t-J 1． 妻I 1Ij ◆ ＼、 ， -P L ’l7 X ， I 、司 j j ll 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m