某型多级轴流压气机三维CFD流场分析及气动优化-.pdf

第4 1卷第 3期 2 0 1 2年 9月 热 力 透 平 THERM AL TURBI NE Vo 1 ． 41 No ． 3 Sep t ． 2 01 2 某型多级轴流压气机三维 C F D流场分析及气动优化 王辅方 ， 赵连会 ， 何磊 ， 张玫 宝 1 ． 上海 电气电站集团 ， 上海 2 0 1 1 0 0 ； 2 ． 上海 电气 电站技 术研 究与发展 中心 ， 上海 2 0 1 6 1 2 摘要 以某 1 l级轴流压气机为研究对象， 通过三维计算软件对某型压气机整机建模及流场进行 了数值模 拟 ， 分别计算了设计工况、 变工况及改变导叶安装角等工况的特性， 得到了压气机流量 一压比特性曲线、 流量 一 效率特性曲线， 与压气机的性能试验数据进行了对比， 其误差在可允许 范围内。同时对压气机的每一级的 数据 行 了分析 ， 总结 了该压气机的 气动设计规律 。通过流场分析得 到 出口导叶的流场分 布不合理 的结论 ， 并 通过对其母型机的流场分析， 提出了改进的方案。这些工作对压气机的设计开发提供 了宝贵经验。 关键词 压气机； 特性线； 优化； 数值模拟 中图分类号 T K 4 7 2 文献标识码 A 文章编 号 1 6 7 25 5 4 9 2 0 1 2 0 3 0 2 1 5 0 5 Th r e e - Di me n s i o n a l CFD Fl o w Fi e l d Analy s i s a n d Ae r o d y na mi c Op t i mi z a t i o n o f a M ul t i S t a g e Ax i a l Co mpr e s s o r W A N G F u - f a n g ， Z H A O L i a n h u i ， H E L e i ， Z H A N G Me i ． b a o 1 ． 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 io n Gr o u p ， S h a n g h a i 2 0 1 1 0 0 ， C h i n a； 2 ． S h a n g h a i E le c t r ic P o we r Ge n e r a t i o n RD Ce n t e r ， S h a n g h a i 2 0 1 6 1 2 ， Ch i n a Ab s t r ac t Nu me ric a l s i mu l a t i o n a n d mo d e l i n g o f a 1 1 - s t a g e a x i a l c o mp r e s s o r ’ S fl o w f i e l d h a v e b e e n p e r f o r me d ． T h e c o n d i t i o n s o f d e s i g n， o ff - d e s i g n a n d d i f f e r e n t I GV s t a g g e r a n g l e s h a v e b e e n c a l c u l a t e d b y a 3 - D n u me ric a l s i mu l a t i o n s o f t wa r e a n d a e r o d y n a mi c c ha r a c t e r i s t i c s r e s pe c t i v e l y， a nd t he c h a r a c t e ris t i c c ur v e s o f Ma s s flo w p r e s s u r e r a t i o a n d Ma s s fl o w e ffic i e n c y o f t h e c o mp r e s s o r are o b t a i n e d ． B y c o mp a r s o n wi t h e x p e r i me n t al d a t a ，i t s h o ws t h a t t h e y a r e we l l ma t c h e d a n d t h e e r r o r i s a c c e p t a b l e ，S O t h a t t h e n u me ri c a l r e s u l t s a t t h e s e c o n d i t i o n s a r e c r e d i b l e ．At t h e s a me t i me，t h e d a t a o f e a c h s t a g e i s a n aly s e d a n d t h e a e r o d y n a mi c d e s i g n r u l e o f t h e c o mp r e s s o r i s s u mma r i z e d ． T h r o u g h t h e fl o w fi e l d an aly s i s ，i t ’ S f o u n d t h a t t h e p a t t e r n o f t h e o u t l e t g u i d e v a n e’ S fl o w f i e l d i s n o t r e a s o n a b l e ． T h r o u g h t h e a n a l y s i s o f i t s p r o t o t y p e’ S fl o w fi e l d， a r e v i s e d d e s i g n s c h e me i s p r o p o s e d and v a l u ab l e e x p e r i e n c e s i n t h e a e r o d y n a mi c d e s i gn a n d d e v e l o p me n t o f a c o mp r e s s o r are p v o v i d e d ． Ke y wor ds c o mpr e s s o r；c h a r a c t e ris t i c；o p t i mi z a t i o n；nu me ric al s i mu l a t i o n 符号说明 C叶片进 口轴向分速 c 。 叶片进 口切向分速 C 。 叶片 出 口轴 向分速 c 叶片出口切向分速 P 出口导叶进口静压 P 。 出口导叶出口静压 I G V 进 口导 叶 Ⅳ 转速 O G V 出 口导 叶 u叶片速度 尺 半径 输入功 从 2 0 0 0年开始 ， 我国施行了3次燃气轮机打捆 招标项 目， 引进了 F级先进燃气轮机技术 ， 建造了大 量的燃气轮机电站， 积累了一定的运行经验。在燃 气轮机三大部件中， 压气机占有相当重要的地位 ， 因 此掌握压气机产品的设计、 改型、 模化等经验， 并应 用到新型压气机的设计中， 具有重要的指导作用。 当今 ， C F D技术 已经广泛地应用于压气机 的 气动设计 中⋯。近些年计算机 C P U速度和 内存 容量的不断提高， C F D已经变成改进现有压气机 和评估新 型压气 机性能 的一个 主要气 动设计手 段 。多级 C F D计 算 的一个 主要功 能是检查 收稿 日期 2 0 1 2 0 2 2 1 修订 日期 2 0 1 20 6 2 3 作者简介 王辅方 1 9 6 3一， 男 ，1 9 8 4年毕业 于上海 电力学 院， 学士 ， 高级工程师 ， 从 事汽轮机 、 燃气轮机设计研究及 销售工作 。 黧 I _l 圜 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3期 某型多级轴流压气机三维 C F D流场分析及气动优化 级间匹配 ， 并给出压气机优化的方向 J 。改善流 道二次流特性的三维叶片造型特征， 比如弯掠设计 特征都可以通过 C F D工具来进行优化。L i s a等作 者使用多级 C F D分析低压压气机 ， 通过总体特性 图来看， C F D计算 和试验数据均得到 了很好 的吻 合。H o b s o n等人使用 C F D代码设计了一个亚音速 压气机级， 并且使用基于欧拉方程 的 C F D设计软 件进行数值模拟， 其计算结果与试验结果相同。 本文计算了某 1 1级压气机 ， 并 将 C F D的计 算结果与其性能试验数据进行了对 比， 结果表明 吻合性 良好。压气机的出口导叶及其后 的流场存 在较大的流动分离 ， 通过优化 出口导叶的机匣形 状结构 ， 改进了原始设计。 1 压气机简介 本文的研究对象是一个 1 1 级轴流式压气机， 该压气机有一排进 口导叶和一排出 口导叶。由于 客户要求的流量变化范围较大 ， 因此压气机进 口导 叶和前 5级静叶采用可调节结构 ， 以保证压气机在 较大的变工况范围内能够保持较高的性能水平。 2 C F D数值方法 本文使用了通用的流体机械 C F D计算工具 。 2 ． 1 网格生成 整个计算域由压气机通道 和叶片排组成 ， 动 叶和静叶的网格如图 1 所示。网格的拓扑结构为 HOH， 叶片周 围区域采用 O型网格 ， 进 口和 出口采用 H网格 ， 网格总数为 1 8 2万个 。为了使 计算尽可能地符合实际工作情况 ， 在计算 中考虑 了叶顶间隙。 图 1 压气机人口处的双通道拓扑结构 豳I 囊 2 ． 2 计算模型和边界条件设定 本数值模拟 中采用 SA方程模型来求解湍 流 Ns方程 ， 动 叶和静 叶交界 面采用混合面 的 处理方法 。 压气机进 口条件 进 口给定总温和总压 、 轴 向 进气条件 ， 静子转速设置为 0， 转子给定相应转速 值 ； 压气机 出口条件 给定不同背压值 静压 ， 以 得到相应转速下的特性线。 3 计算结果及流场分析 本文计算了两种工况下的压气机特性 ， 且这 两种工况下的转速相同。 工况 1 压气机进 口导叶在正常位置 ， 同时前 5级可调静叶也处于正常位置。 工况 2 压气机进 口导 叶关小 1 0 。 ， 同时前 5 级可调静 叶也关小相应的角度。可调静叶的安装 角关小量 以进 口导叶关小 的角度为参照 ， 其对应 关系式已设定在控制系统 中。 3 ． 1 特性线对 比 为了验证 C F D计算的准确性 ， 将工况 1和工 况 2的 C F D数值模拟结果与性能试验数据进行 了对比， 如图2所示。从图 2可以看 出工况 1的 C F D数值模拟结果与性能试验结果吻合较好 ， 但 在高压比下游出现少量误差， 而在低压 比的堵塞段 则吻合良好。工况 2的高压比级段和试验数据吻合 良好， 但在靠近堵塞工况段出现了比较大的偏差， 预 测的堵塞流量比实际性能试验流量高约 1 ． 5 ％。 3 ％ 4 ％ ， ／ r ／ ． ／ 。 工况 ／ l j - 1 t 0 。 况 2 _ ‘9 ＼ f ‘I 1 I I 一 1 。 1 ● t ’ 一 O 。 O 。 ● 质 量 流 量 ． _ _ 一 模 拟 工 况 性 能试 验 图2 C F D计算和性能试验结果对比 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 某型多级轴流压气机三维C F D流场分析及气动优化 热力透平 综合分析 ， C F D数值模拟的结果与性能试验 的结果吻合较好 ， 因此其计算结果具有一定的参 考意义。 3 ． 2 转子叶片的设计规律 为了分析转子叶片的设计规律， 取 出沿叶高 方 向的叶片速度进行分析 ， 在本文中仅选择位于 l 0． 8 惺 0 6 吉 莨 0 ． O ． 2 O l一 第六级动叶l I _ _ I l l 压气机中段的一级压气机动叶片进行分析 。但在 实际工作 中对所有 的叶片都进行相应 的分析 ， 其 规律都是一致 的。图 3所示 为预测的 C 。 沿着 叶 片展 向的分布规律 ； 图4显示了 c 。 沿着叶片展向 的分布规律 ； 图 5和图 6分 别显示 了 R C 和 R C 沿叶片展向的分布规律。 1 O． 8 坚0 ．6 要 O． 4 O． 2 0 ’一’ l一第 级动 tl 1 1 ． I 1 二 I I l I 。 ●’ C , o m／ s G m／ s 图3 计算得到的 C 。 沿叶展的分布规律 图4 计算得到的 C 沿叶展的分布规律 l O - 8 坚0 ．6 0 ． 4 O ． 2 0 l一第 六 级 动 叶 I ‘7 { { 图5 计算得到的 R C 沿叶展的分布规律 从图 3到 图 6的分布图上， 我们可以看出从 叶高 5 ％到叶高 9 5 ％范围内有 C l 。 C o n s t 1 C 2 。 C o n s t 2 R C 1 C o n s t 3 R C 2 一 C o n s t 4 输人到单位工质 中的功为 WU C 2 一C 1 考虑到 U2 7 mR ／ 6 0 ， 所以有 W 7 r n ／ 3 0 l R C 2 - R C l C o n s t 5 从公式 1 到公式 5 可以看出 ， 动叶片的进 出口轴向速度和环量沿 叶高基本上是恒定值 ， 而 轮缘功也就是 值也是恒定的 ， 所 以可 以得到动 叶片的设计规律符合简单径 向平衡方程的等环量 1 0 ． 8 薹 。一4 O 2 O l 一 第六级动口 { 熏 l 乏 一 图6 计算得到的 R C 沿叶展的分布规律 自由涡 的设计规律。 而该压气机 的静 叶片 包括进 口导叶和出口 导叶 都是直叶片， 因此不存在扭 曲规律 的研究 ， 这里没有给出其速度的径 向分布图。 3 ． 3 出口导叶流场分析 出口导叶片在压气机 中的作用一般是引导压 气机的出口气流到轴向方 向， 这样可以减少气流 的排气损失 。在压气机的静 叶中， 叶片通道是逐 渐扩张的， 因此当气流流过静叶片通道时 ， 气流速 度降低， 同时气流的静压升高。也就是说在这一 过程中气流的动能转化成气流 的压力能。在 图 7 中压气机 O G V的静压升定义为 P 。 一 6 从 图7可以看出， 在 O G V从 0 ％到 4 0 ％叶高 奠 I豳 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 某型多级轴流压气机三维C F D流场分析及气动优化 热力透平 [ 2 ]C h a n g y o n g L e e ，J a e w o o k S o n g ， S u n g r y o n g Lee ， D o n g mi n Ho n g ． E ffe c t o fA G a p B e t w e e n I n n e r C a s i n g a n d S t a t o r B l a d e o n A x i a l C o m p r e s s o r P e rf o r m a n c e [ C] ／ ／G l a s g o w， U KA S ME T u r b o E x p o 2 0 1 0 ， P o w e r f o r L a n d ， S e a ， a n d Ai r G T 2 0 1 0 2 2 4 3 9 ， J u n e 1 4 1 8， 2 0 1 0． [ 3]B e l a mr i ，T，G a l p i n ，P，B r a u n e ，A a n d C o r n e l i u s ，C ．C F D A n a ly s i s of 1 5 S t a g e A x i a l C o m p r e s s o r P a r t， Me t h o d s [ C] ／ ／ Re n o， Ne v a d a ， US A AS ME Tu r b o E x p o 2 0 0 5，P o we r f o r L a n d， S e a ， a n d A i r G T 2 0 0 5 6 8 2 6 1 J u n e 69 ， 2 0 0 5 ． [ 4 ]B e l a m r i ，T，G a l p i n，P，B r a u n e ，A and C o rne l i u s ，C ．C F D A n a l y s i s of 1 5 S t a g e A x ia l C o m p r e s s o r P 矾I l R e s u l t s C 1， ／ ⋯】 ⋯】 ⋯】 ⋯】 ⋯ Re n o， Ne v a d a， US A AS ME T u r b o E x p o 2 0 0 5，Po we r for L a n d， S e a ． a n d A i r G T 2 0 0 5 6 8 2 6 2 J u n e 69 ， 2 0 0 5 ． [ 5 ]K o j i T e r a u c h i ， D a i s u k e K a r i y a ， S e i i c h i r o u Ma e d a ． R e d e s i g n of a n 1 1一S t a g e Ax i a l C o m p r e s s o r f o r I n d u s t r i a l G a s T u r b i n e [ c]／ ／ Re n o， Ne v a d a， US AAS ME T u r b o Ex p o 2 0 0 5，P o we r for L a n d， S e a ， a n d Ai r G T 2 0 0 56 8 6 8 9 J u n e 6 9， 2 0 0 5 ． [ 6 ]M L K u z m e n k o ，I N E g o r o v ， Y u N S h m o t i n ．O p t i mi z a t i o n oft h e G a s T u r b i n e E n g i n e P a r t s U s i n g Me t h o d s of Nu me r i c a l S i mu l a t i o n [ C] ／ ／Mo n t r e a l ， C a n a d a A S ME T u r b o E x p o 2 0 0 7， P o w e r for L a n d ， S e a ，a n d A i r G T 2 0 0 7 2 8 2 0 5 Ma y 1 41 7， 2 0 0 7． 1 ⋯】 ⋯ 上接第 1 8 2页 概率为 0 ． 0 2 ； 而 当转子工作时间达 到 2 0万小 时 时， 其失效概率 已达到 0 ． 2 8 。同样趋势也 出现在 危险点 1 、 2 、 3处 ， 但是这种增加的趋势比较缓慢 ， 这是由于在 4处 的应力 相对 于 1 、 2 、 3点要高很 多。 同样 ， 由图 5 b 可知， 当转子工作 时问达 到 1 0万小时时 ， 危险点 5 、6 、7 、 8等处的失效概率 分别为0 ． 0 1 、 0 ． 0 1 、 0 ． 0 l 、 0 ． 0 3 。当转子工作时 间达到 2 0万小时时， 危险点 5 、 6 、 7 、 8等处 的失 效概率分别为 0 ． 1 1 、 0 ． 2 2 、 0 ． 1 7 、 0 ． 4 0 。在整个 计算模 型中应力最大的位置就在 8处 ， 因此危险 点 8是最可能出现应力腐蚀裂纹的地方。但是 ， 即使如此 ， 在 V WO工况下， 转子工作时间达到 2 0 万小时时 ， 8 个危险点处 的失效概率均没有超过 0 ． 5 。这表明在 V WO工况下 ， 转子结构产生宏观 可见裂纹的概率较低。 4 结 论 本文基于 A b a q u s 平台， 采用 P y t h o n语言开发 了汽轮机部件应力腐蚀寿命评估程序， 并以百万 核电低压转子作 为分析对象， 对其湿蒸汽 区高应 力区域进行 了应力腐蚀寿命评估。随着核电汽轮 机材料数据的完善以及核 电机组的相继运行 ，我 们可以进一步修正计算模型 ， 能更好地为 国产核 电汽轮机低压部件的安全设计提供技术保证。 参考文献 [ 1 ]M O S p e i d e l ， H C B u n g h a r d ．S t r e s s C o r r o s io n C r a c k i n g ofS t e a m T u r b i n e R o t o [ M] ． C o r r o s i o n i n p o w e r e q u i p me n t P r o c e e d i n g s o f t h e 8 t h i n t e r n a t i o n a l ，B a d e n，1 9 8 3 ． ⋯⋯⋯⋯⋯，H [ 2 ] w G C l a r k ，J r ，B B S e t h ，D H S h a f f e r ．P r o c e d u r e s f o r E s t i m a t i n g t h e P r o b a b i l i t y o f S t e a m T u r b i ne Dis k R u p t u r e f r o m S t r e s s C o r r o s io n C r a c k i n g [ C] ／ ／A S ME ／ I E E E P o w e r G e n e n r a t i o n C o n f ． ， N e w Yo r k [ s ． f1 ． ] ， O c t o b e r1 9 8 1 ． [ 3 ]F P F o r d，P L A n d r e s e n ．P a i as S y m p o s i u m o n F u n d a m e n t a l A sp e c t s of S t r e s s C o r r o s i o n C r a c k i n g[c] ／ ／ P r o c e e d i n g s o f a s y mp o s i u m s o p p o e d b y T MS AS M MS D Co r r o s i o n a n d e n v i r o n me n t a l e f f e c t s c o mmi tt e e， TMS， 1 9 9 2 4 3 ． [ 4 ]S Q Z h o u ，A T u r n b u n ．S t e a m T u r b i n e O p e r a t i n g C o n d i t i o n s ， C h e mis t r y of C o n d e asa t e s a n d E n v i r o n m e n t A s s is t e d C r a c k i n g一 』 4 C r i t i c a l R e v ie w[ R] ．N P L R e p o M AT C A 9 5 ． [ 5 ]D A R o s a ri o ，S S T a n g ，D W G a n d y ，e t e ．E v a l u a t i o n o f L P R o t o r R i m - A t t a c h m e n t C r a c k i n g U s i n g L P R I ML I F E[ c] ／ ／T h e 8 EP RI T u r b i n e Ge n e r a t o r Co n f e r e n c e ，Au g u s t 2 5 2 7，2 0 0 3， Na s h v i l l e，T e n n e s s e e ． [ 6 ]A B a g a v i e v ，A U l b r i c h ．L ／f e A s s e s s men t of T u r b i n e C o m p o n e n t s B a s e d o n D e t e r mi n i s t i c a n d P r o b a b i l i s t i c P r o c e d u r e s 『 J ] ． I n t e r ． j o u ma l o f p r e s s u r e v e s s e l s a n d p i p i n g ， 2 0 0 4， 8 1 8 5 58 5 9 ． [ 7 ]崔春兰 ， 赵旭红 ，秦琴 ， 等．汽轮机 转子钢 应力腐 蚀试验 研 究 [ J ] ．汽轮机技术 ， 2 0 0 5， 4 7 4 3 0 9 3 1 2 ． [ 8 ]范华 ， 杨功显．大型汽轮机末级叶片钢中夹杂物及其组织 对 疲劳强度和应力腐蚀 性能 的影响 [ J ] ．中国动力 工程学 报 ， 2 0 0 5 ，2 5 1 1 1 11 1 5 ． [ 9 ]王思玉 ， 梅林波．改善核 电汽轮机整锻低压转子抗应力腐 蚀 性能的方法 中国， 2 0 0 7 1 0 0 4 6 9 5 1[ P ] ． 2 0 0 71 01 1 ． [ 1 O ]曹金 凤 ， 王 旭 春， 孔 亮 ．P y t h o n语 言 在 A b a q u s中的 应 用 [ M] ．北京 机械工业出版社 ， 2 0 1 1 年 8月 3版． [ 1 1 ]朱 日彰 ， 杨德钧 ，沈卓身 ， 等．金属腐蚀学 [ M] ． 北 京 冶金 工业 出版社 ， 1 9 8 9年 5月 1 版 ． [ 1 2]We i R o b e r P ． Ma t e r i a l A g i n g a n d R e l ia b i l i t y of E n g i nee r e d S y s t e m[ C] ／ ／ ．E n v i r o n me n t all y A s s i s t e d C r a c k i n g P r e d i c t i v e Me t h o d s for Ri s k As s e s s me n t a n d Ev a l u a t i o n o f Ma t e r i a l s ． Ru s s e l l D．KANE， AS TM S T P 1 4 0 1， 2 0 0 0 31 9． [ 1 3 ]林昌健， 冯祖德， 林福龄， 等． 1 8 ／ 8 型不锈钢在受力变形条 件下腐蚀电化 学行为 的研究 [ J ] ． 电化学 ， 1 9 9 5， 1 4 4 3 9 4 4 5 叠一 圜 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m