CVN静叶透平级气动性能的数值计算与试验结果的比较及优化-.pdf

第 5 6卷 第 4期 2 0 1 4年 8 月 汽轮机技术 T URB I N E T EC HNOL OGY Vo 1 ． 5 6 No ． 4 Au g ． 2 01 4 C V N静叶透平级气动性能的数值计算 与试验结果的比较及优化 刘传亮， 刘网扣， 范雪飞 上海发 电设备成套设计研 究院， 上海 2 0 0 2 4 0 摘要 以某 6 0 0 MW汽轮机高压缸内的 C V N 顶部反扭 静叶透平级为计算对象， 以 F i n e ／ T u r b o 软件为模拟工具 ， 计 算了不同速比下的透平级的气动性能， 并与试验结果进行对比， 分析 比 较了级效率、 反动度、 流量系数等技术指标。 结果表明数值计算结果与试验吻合较好， 气动性能指标的变化趋势一致； 最佳速比均介于0 ． 5 20 ． 5 3 之间； 该静叶 叶型并不是最佳 ， 静、 动叶损失偏大， 造成级效率偏低。通过改进静叶成型， 提出了3种透平级的改进设计方案， 经 计算和比较得出正弯静叶透平级为最佳方案， 其静、 动叶损失最小， 比原模型级可提高透平级效率1 ． 2 ％。 关键词 透平； 叶栅 ； 气动性能 ； 优化； 数值模拟 分类号 T K 2 6 2 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 - 5 8 8 4 【 2 0 1 4 0 4 - 0 2 5 3 - 0 5 Nu me ri c a l S i mu l a t i o n a n d O p t i mi z a t i o n o f t h e Ae r o d y n a mi c P e r f o r ma n c e o f t h e C VN Va n e T u r b i n e S t a g e a n d C o mp a ri s o n w i t h E x p e r i me n t a l Re s u l t s UU C h u a n ． 1 i a n g ． L I U Wa n g ． k o u， F AN X u e ． f e i S h a n g h a i P o w e r E q u i p me n t R e s e a r c h I n s t i t u t e ， S h a n g h a i 2 0 0 2 4 0 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e n u m e ri c al s i mu l a t i o n s t u d y b a s e d o n F i n e ／ T u r b o s o f t w a r e w s s c a r r i e d o u t f o r a C V N t o p a n t i - t w i s t v a n e t u r b i n e s t a g e i n a 6 0 0MW s t e a m t u r bi n e hi g h pr e s s ur e c y l i nd e r ，c a l c u l a t i ng t he a e r o d y na mi c pe r f o r ma n c e o f t he t u r bi n e s t a g e s u n d e r d i f f e r e n t s p e e d r a t i o s a n d c o mp a r i n g w i t h t e s t r e s u l t s ， a n a l y s i s a n d c o mp a r i s o n o f t h e s t a g e e f f c i e n c y ， r e a c t i o n d e g r e e， fl o w c o e ffic i e n t a n d o t h e r t e c h n i c a l p e rf o r ma n c e ． T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e n u me r i c a l r e s u l t s a gre e w e l l wi t h t h e e x p e r i me n t al a n d i n d i c a t e t h e c o n s i s t e n t t r e n d o f a e r o d y n a mi c p e r f o rm a n c e； t h e o p t i ma l s p e e d r a t i o i s a mo n g 0 ． 5 2 t o 0 ． 5 3 ； t h e CVN v an e t y p e i s n o t t he b e s t b e c a u s e t he v an e a n d b l a de e n e r g y l o s s i s t o o l a r g e a n d r e s u l t i n g i n l o w l e v e l s t a g e e ffi c i e n c y ．B y i mp r o v i n g t h e v a n e s h a p e ， t h i s p a p e r p r o p o s e d t h r e e t u r b i n e s t a g e s o f d e s i g n i mp r o v e me n t s a n d a n a l y z e d t h e i r p e rf o r ma n c e t h rou g h n u me ri c al s i mu l a t i o n a n d c o mp a r i s o n， a n d c o n c l u s i o n s h o w t h a t t h e p o s i t i v e b o we d v a n e t u r b i n e s t a g e i s t h e b e s t o p t i o n， w h i c h h a s t h e mi n i ma l a mo u n t o f v a n e a n d b l a d e e n e r g y l o s s a n d c a n b e i n c r e a s e d t u r b i n e s t a g e e ffic i e n c y o f 1 ． 2 ％ t h a n t h e o ri g i n al s t a g e ． Ke y wor ds t ur bi n e； c a s c a de； ae r o dy na m i c pe r f o r m a nc e； opt i mi za tion； nume r i c a l s i mul a tion 0 前言 汽轮机作为电站的核心动力装置， 正向着大容量、 高参 数、 高效率方向发展。提高汽轮机 的运行效率， 对能源利用 的经济性和环保性具有双重意义。汽轮机的内部效率与其 通流部分的流动效率紧密相关， 由于通流部分几何形状复 杂， 流体与壁面作用强烈， 从而形成各种流动损失， 其中喷嘴 与动叶的叶型损失 、 二次流损失及漏气损失占到总通流损失 的绝大部分 约 8 0 ％ 一9 0 ％ ⋯ ， 尤其是高中压缸较短叶片 级的损失更是严重。影响叶栅性能的因素很多， 除叶型、 叶 栅的几何参数及气动参数外 ， 流道形状、 叶片的成型也是十 分重要的因素。在现代的通流设计中， 正弯曲叶片等技术得 到普遍的重视和应用， 实践证明也取得良好的效果 。 在大功率汽轮机通流部分的现代化改进设计及旧机通 流部分改造中， 普遍采用叶型的优化及叶片成型新技术来减 小叶栅损失 J ， 提高效率。计算机性能的提高和计算技术的 进步为汽轮机通流部分的优化提供了强有力基础， 也为人们 在静 、 动 叶片的设计 中创造 了较大的 自由空间 。N U ME C A公 司的F i n e ／ T u r b o软件是旋转机械领域公认 的高级别计算流 体力学 C F D 软件， 是一款应用成熟的三维黏性流场计算软 件， 已在航空航天、 发电领域获得了广泛应用， 该软件具有精 度高、 收敛快 、 稳定性好等特点， 非常适合于在透平机械内流 动过程的数值计算 。随着计算机运算速度、 计算机内存的 提高， 计算算法的改进 ， 以及控制方程、 网格生成、 数值方法、 湍流模型和数据处理等的发展 ， C F D在某些领域已经能够相 当准确地模拟真实流场， 代替大量的空气动力实验。将 C F D 工具运用到透平机械内部复杂三维流动的研究 中， 已成为工 收稿 日期 2 0 1 3 - 0 5 - 3 1 基金项目 院青年发展基金 2 0 0 9一 汽轮机高中压缸叶片气动特性的全三维数值计算、 优化设计和实验验证 ， 基金编号2 0 o 9 0 6 0 0 4 Q 。 作者简介 刘传亮 1 9 8 4 一 ， 男， 工程师， 毕业于浙江大学工程热物理专业， 江苏宿迁人， 主要从事电站系统、 叶轮机械方面的研究。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 5 4 汽轮机技术 第 5 6卷 程技术人员改进设计、 提高效率的有效手段 。 本文应用数值计算并结合试验结果的分析方法 ， 以某 6 0 0 MW超临界汽轮机高压缸内一个 C V N 顶部反扭 静叶典 型级为对象， 采用 F i n e ／ T u r b o 软件对该模型级进行了详细的 数值流动分析， 首先应用 F i n e ／ T u r b o软件对该模型级进行了 网格划分、 模型建立、 边界条件设定， 得到该透平级的三维数 值计算结果， 并结合试验结果对主要的级性能参数进行比较 分析。在此基础上， 进一步改变静叶片的成型， 获得 3种静 叶级结构的改进方案， 通过对改进方案的计算并与原模型级 进行比较， 提出对该透平级的优化设计方案。 1 模型级参数及计算模型 1 ． 1 试验级介绍 原设计级为某 6 0 0 MW 超临界汽轮机一个典型高压级， 透平级的静叶系顶部反扭叶片， 动叶为变截面的扭叶片， 设 计的级压比为0 ． 8 1 8 2 。模型级试验在上海发电设备成套设 计研究院的单级空气透平试验台上进行 ， 试验方案的根径取 为 4 0 0 ram， 透平试验的模化 比为0 ． 3 7 9 5， 试验级静 叶叶高 3 9 ． 1 3 ram、 弦长3 7 ． 7 5 ra m， 相 对叶 高 为1 ． 0 4， 叶 片数 6 6， 靠 近 根部约一半叶高没有扭转 ， 安装角为5 2 。 4 2 5 6 ” ， 过半叶高后 ， 安装角逐渐减小至叶顶的4 8 。 1 2 5 7 ” ， 上半叶高中安装角变化 约4 ． 5 。 ， 相应有效出口角变化约3 ． 4 。 。动叶为变截面的扭叶 片， 叶高为3 9 ． 8 9 ra m， 径高 比1 1 ． 0 3 ， 叶片数 1 1 2 ， 沿叶高从根 部向顶部有效出口角减小约 一 3 ． 3 。 。试验工况参数为 进口 总压P 。为1 2 9 5 8 k g ／ m ， 进 口总温 7 0 ℃， 级压t g o ． 8 1 8 2 ， 级马 赫数为0 ． 5 4 3 ， 级理想速度 c 0为1 9 5 ． 9 m ／ s ， 进行了不同速比 u ／ C 。 0 ． 4 0 、 0 ． 4 9 3 、 0 ． 5 8 下的试验 J ， 试验级的通流部分简 图见图 1 。 图 1 试验级通流部分简图 1 ． 2 数值计算模型 数值计算采用 N U M E C A公司F i n e ／ T u r b o 商用 C F D软件 进行。计算模型按试验级通流尺寸建立， 计算网格采用准 自 动网格生成器 I G G生成 ， 为获得正交性较好 的计算网格 ， 叶 片流道的整个计算域采用“ HOH” 网格拓扑结构， 即入 口段采用“ H” 型网格， 叶片流道区采用“ O” 网格 ， 出口区采用 “ H ” 网格 ； 汽封流道采用 Z R e ff e c t 效应来布置， 叶顶围带汽 封局部加密， 汽封通道与主流道采用 F N M B连接 ， 网格总数 9 7 ． 5 ] Y 。网格最小正交性 2 5 ， 9 0 ％的网格正交性大于 7 2 ， 9 9 ％的网格长宽 比小于1 0 0 0 ， 最大扩展 比4 ． 2， 网格质量 良 好。数值计算采用有限体积形式的三维黏性时间雷诺平均 Ⅳ一 ．s 方程求解， 湍流模型采用 sA一方程湍流模型， 空间 差分采用 J a m s o n中心差分格式， 时间项采用 4阶 R u n g e K u t t a 法迭代求解。为加速收敛， 计算采用多重网格技术， 结 合变时间步长以及残差光顺方法， 以获得较快的收敛速度。 C F L数设 为 3 ， 残差 下降 3个数量级， 进 出口流量差小于 0 ． 1 ％认为计算收敛。计算进 口给定总压、 总温， 轴向进汽， 出口给定平均背压， 固壁采用绝热无滑移边界， 动叶顶的围 带结构与叶片同步旋转 ， 节距方向边界为周期边界。图2 为 计算模型的三维网格示意图。 图 2 三维计算网格示意图 2 数值计算结果及与试验的比较 2 ． 1 级效率 在速 比变化对级效率等级特性影响的分析中， 共计算了 5个方案。级的理想速度 c 0 根据工质的进出口状态参数计 算得到， 选定的各计算工况速比中的圆周速度 u与试验一样 采用根部的圆周速度。表 1 列有各计算工况的速比及转速。 表 l 计算工况的速比及转速 速 比 “ ／ 转速 ， r ／ mi n 速 比 u ／ 转速， r ／ rai n 0． 4 3 7 7 9 O． 5 5 5 1 9 6 0． 4 5 42 5 2 0． 6 5 6 6 9 O． 5 4 7 2 4 级效率是指级的有效比焓降与理想能量之比， 表示级的 能量转换的完善程度 ， 是衡量级经济性的一个重要指标 J 。 从图 3可以看出， 在不同速 比 下 ， 级效率的计算值与试验值 随速比的变化趋势一致， 均存在级效率的最大值， 对应为最 佳速比， 最佳速 比两侧的级效率呈下降趋势。计算的最佳速 比为0 ． 5 2 0 5 ， 对应最佳级效率为0 ． 8 5 3 8 ， 试验的最佳速比为 0 ． 5 2 8 9 ， 对应最佳级效率为0 ． 8 3 5 4 。综合计算与试验的结 果 ， 最佳速比非常接近， 均介于0 ． 5 2 到0 ． 5 3 之间， 最佳速比附 近的效率曲线变化平缓， 偏离最佳速 比越多， 级效率 的下降 幅度越大， 计算与试验曲线均呈现这一规律。对比计算与试 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 2 5 6 汽轮机技术 第 5 6卷 原始方案 改进方案 l 改进方案 2 改进方案 3 顶部反扭静 叶 直叶片静叶 J型静叶 正弯静叶 下半 叶高直叶 ， 顶部反扭 直叶片 上半 叶高直 叶片 ， 下半叶高沿周向正弯 曲， 斜置角度 2 O 。 等截面正弯 曲， 根 、 顶部斜置角度均为 2 0 。 规律， 共变化了3组静叶成型规律， 并对改进后的模型级进 行了数值计算 ， 计算均在0 ． 5 速比下进行 ， 改进方案见表 2 ， 并 与原始方案的计算结果进行分析与比较。 3 ． 2 级 效率的比较 图7为 4个模型级级效率的计算结果。可以看出， 正弯 静叶级的级效率最高， J 型静叶次之， 顶部反扭静叶级的级效 率最低。相比顶部反扭静叶级， 正弯静叶级的级效率提高了 1 ． 1 6 ％。图 8为4个方案模型级级损失的计算结果。静叶 能量损失系数中最大的是直叶片静叶级， J型静叶次之， 正弯 静叶最小。动叶级能量损失系数最大的是顶部反扭静叶级， J 型静叶级次之 ， 直叶片静叶级最小。4个模型级的排气能 量损失系数 、 叶顶漏气损失系数变化均较小 ， 差别不大。从 计算数据可以看出， 顶部反扭静叶级的静 、 动叶损失之和为 最大， 正弯静叶级的静、 动叶损失之和最小。可以看出改进 后的 3个方案的静、 动叶气动性能整体上均要优于原模型 级 ， 其中正弯静叶方案的级性能最好。 槲 榛 添 副 古 古 船 图 7 4个模 型级级效率的计算结果 失 0 ． 0 0 ％2 ． 0 0％4． 0 0 ％6 ． 0 0 ％8 ． 0 0 ％1 0 0 0 ％ 1 2 ． 0 0 ％ 1 4 0 0 ％ 1 6 00 ％ 图 8 4个模 型级级损失 的计算结果 3 ． 3 级反动度、 出气角的比较 4个模型级计算中， 保持级流量接近一致。由图9可见， 根部反动度顶部反扭模型级最小， 正弯静叶级最大。顶部反 动度直叶片静叶级最大， 正弯静叶级次之 ， 顶部反扭静叶级 最小， 平均反动度的变化规律与顶部反动度一致。 图 1 0为4个模型级静叶出汽角沿相对叶高变化计算结 果。下半叶高 4个静叶出汽角变化较小 ， 上半叶高变化较 大， 直叶片静叶出汽角略高于 J型静叶和正弯静叶， 顶部反 扭静叶的出汽角要低于其它 3个静叶， 顶部反扭部分的静叶 出汽角甚至小于1 O 。 ， 这可能导致端部损失的增加， 并会增加 ， 臀 ∞ 口 一 霉 圜 墓 一 圈 ．I 一 i ll ⋯⋯ 圈 目 l露 i 豳 f i C V N 直叶 J 型 正弯 静叶叶型 图9 4 个模型级级反动度的计算结果 图 1 0 静叶出汽角沿相对 叶高 的变化与 比较 下游动 叶的损失 。 3 ． 4 静叶、 动叶能量损失沿叶高的比较 图 1 1为4个模型级静叶能量损失系数沿相对叶高变化 的计算结果。可以看出， 在叶栅 中部 ， 直叶片静叶和 J型静 叶的损失要高于顶部反扭静叶和正弯静叶； 在叶片两端部， 正弯静叶由于根顶部的叶片弯曲存在一个明显的低损 区， J 型静叶由于根部的弯 曲在叶片根部也存在一个 明显的低损 区 水 骣 咖i 船 古 船 图1 1 静叶能量损失系数沿相对叶高的变化与比较 图 1 2为4个模型级动叶能量损失系数沿相对叶高变化 的计算结果， 4个方案的动叶损失在下半叶高都存在较大二 次流损失区， 上半叶高顶部反扭静叶级和 J型静叶级的动叶 m窖0 0 0 O 0 0 0 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4期 刘传亮等 C V N静叶透平级气动性能的数值计算与试验结果的比较及优化 2 5 7 搽 惴 删 罐 舌 幅 图 1 2 动 叶能量损失系数沿相对叶高 的变化与 比较 损失要高于直叶片静叶级和正弯静叶级。 综上可得 ， 原模型级 中静 、 动叶损失偏大可能有两个原 因， 一是该模型级的静叶是一个上半叶高反扭的静叶， 静叶 顶部有效出口角过小 ， 顶部反扭部分的静叶出气角小于l 0 。 ， 使顶部的端部损失可能偏大； 二是静叶顶部反扭对下游流场 产生负面影响， 造成动叶的损失因冲角增大而增大。 通过 3种改进方案的计算与比较， 可见采用正弯静叶透 平级的气动性能最佳， 静、 动叶损失最小。采用弯曲叶片栅 ， 即叶片的压力面与上下壁面组成的夹角均为锐角时， 可以获 得吸力面和压力面上的沿叶高的压力呈 C型分布 J 。在它 的作用下 ， 两端边界层被吸到中部并被主流带走 ， 因而两端 部区内的能量损失下降。由于两端部区域内的低能量流体 被吸入中部 ， 叶栅中部某个区段能量损失有所增加。但在一 般情况下 ， 中部区的能量损失增加得并不显著， 因而叶栅 中 的总能量 损失是减少的 - - 。 4 结论 本文 以 F i n e ／ T u r b o对某 6 0 0 MW 汽轮机 高压 缸内的 C V N 静叶透平级进行了数值计算和分析， 计算了不同速比下的透 平级的气动性能， 并与试验结果进行对比， 分析比较了级效 率 、 反动度、 流量系数等技术指标。在此基础上， 通过改进静 叶成型， 提出了3 种透平级的改进设计方案 ， 计算和比较了 各方案级效率和级内损失的差异， 提出了最优的设计方案。 主要结论如下 1 数值计算结果与试验吻合较好， 级效率、 反动度、 流 量系数等主要气动性能指标的变化趋势一致 ； 2 最佳速比介于0 ． 5 2 0 ． 5 3 之间。速比0 ． 5 时的级效 率的计算值为8 5 ． 1 ％， 与试验值之间存在约2 ％的相对误差； 3 该 C V N静叶叶型并不是最佳， 静、 动叶损失偏大， 占 级损失的7 0 ％以上， 造成级效率偏低； 4 3种改进透平级的气动性能均优于原模型级， 正弯 静叶透平级为最佳设计方案， 其静、 动叶损失最小， 可提高透 平级效率约1 ． 2 ％。 参 考 文 献 [ 1 ] 蔡颐年．蒸汽轮机 [ M] ．西安 西安交通大学出版社 ， 1 9 8 8 ． [ 2 ] 王仲奇 ， 郑严．叶轮机 械弯扭 叶片 的研究 现状及 发展 趋势 [ J ] ．中国工程科学 ， 2 0 0 0 ， 2 6 4 04 7 ． [ 3 ] 张兆鹤， 崔琦， 梁安江． 有关叶栅损失的探讨[ J ] ．上海汽轮 机 ， 2 0 0 2， 1 5 46 1 ． [ 4 ] 徐旭， 康顺， 谭春青．透平转子直列叶栅流场及其总压损 失 的数值研究[ J ] ．工程热物理学报 ， 1 9 9 9 ， 2 0 6 5 9 5 6 9 8 ． [ 5 ] 蒋洪德 ， 朱斌 ， 徐星仲 ， 等．叶轮机械数值计算与设计方法进 展及其在汽轮机中的应用[ J ] ．工程热物理学报 ， 1 9 9 8 ， 1 9 3 3 l O 一31 4． [ 6 ] 空气透平级试验结果及分析 I I [ R ] ．上海 上海发电设备成 套设计研究 院科研报告 ， 2 0 0 5 ． [ 7 ] 康松， 杨建明， 等．汽轮机原理[ M] ．北京 中国电力出版 社 ， 2 0 0 0 ． [ 8 ]L a k s h mi n a r a y a n a B ． ， E n d w a l l a n d P r o fi l e L o s s e s i n a L o w S p e e d A x i a l F l o w C o m p r e s s o r R o t o r [ J ] ．A S ME P a p e r ， N 8 5一G T一 1 7 4， 1 9 8 5． [ 9 ] 陈海生．弯曲叶片透平 叶栅和单级轴 流风机气 动特性 的实 验 和数值模拟研究[ D ] ． 北京 中国科学院研究生院， 2 0 0 2 ． [ 1 0 ] Wa n g Z h o n g - q i ， H a n Wa n - j i n ， X u We n y u a n， T h e B l a d e C u r v i n g E ff e c t s i n a T u r b i n e S t a t o r C a s c a d e s w i t h LOw A s p e c t R a t i o [ J ] ． C h i n e s e J o u mal o f E n g i n e e r i n g T h e r m o p h y s i e s ， 1 9 9 0， 1 1 3 2 5 5 2 6 2． 上接第 2 5 2页 了在不同流速下的水封运行情况， 多级水封的运行稳定性与 密封水进口流量成反比， 造成这种现象的主要原因是密封水 在流入水封管之后会有两次从高处往低处以自由落体、 淋 浴、 附壁流等方式排挤水封原来建立 的空气柱 ， 第二级套管 内管的过程中由于 自由液面上方的空间大小与第三级相比 要小得多， 所以会先对第二级套管的压力造成影响这样将造 成水封的自由液面发生较大的波动， 考虑到轴加、 给水泵等 的密封水出口流量值和水封的运行稳定性， 应该将进水速度 控制到0 ． 1 m ／ s ～ 0 ． 5 m ／ s ， 这样既能保持较高的疏水量又能维 持水封的运行稳定性， 本问题只对凝汽器压力在某一值时水 封管的进口速度进行了研究 ， 还可以对不同凝汽器压力下的 运行工况进行分析。 参 考 文 献 [ 1 ] 王乐华．电动锅 炉 给水泵 密封 水不 能正常 回收 的分 析处理 [ J ] ．水 泵技术 ． 2 0 0 9， 2 O 2 7 2 9 ． [ 2] 胥静．珠海 电厂 给水泵 密封 水 回收系统 设计 [ J ] ．科技 信 息 ， 2 0 0 8， 1 7 1 5 91 6 0 ． [ 3 ] 张黎明， 张建， 方明．1 2 5 M W机组给水泵密封水回水系统 改造 [ J ] ．水利 电力机械 ， 2 0 0 5， 2 7 6 l 71 8 ． [ 4] 马振 涛， 汪广慧 ， 刘 占蒙．给水泵轴端 密封 回水 多级水封 筒改 造[ J ]．电站系统工程， 2 0 1 0 ， 0 1 2 8 3 0 ． [ 5 ] 曹润， 马云． D G T 4 8 01 8 0给水泵多级水封在现场的实 际应用[ J ] ．青海电力， 2 0 0 1 ， 4 3 1 3 2 ． [ 6] 尹向勇 ， 陈萍．回收电泵密 封水降低机组 补水率 [ J ] ．江西 电力 ， 2 0 0 0， 2 4 2 2 2 2 4 ． [ 7 ] 王家胜 ， 冉景 川．给水泵 密封水 回收存 在的问题 和处理 [ J ] ． 热力发 电， 2 0 0 7 o 6 8 9 9 0 ． [ 8 ] 张吉春． 利用两相流理论分析计算水封高度[ J ] ． 云南电力技 术 ， 2 0 0 0， 2 8 O 1 3 4 3 6 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m