汽轮机调节级气动性能分析和结构优化设计-.pdf

第 4 0卷 第 1期 2 0 l 1年 3月 热力透 平 T H E R M A L T U RB I N E V 1 40 NO ． 1 Ma r ．2 0 1 l 汽轮机调节级气动性能 分析和结构优化设计 阳 虹 ， 杨建 道 ， 李 军 ， 晏 鑫 ， 何 阿平 ， 丰镇平 1 ．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 ； 2 ．西安 交通 大学 能源与动 力工程 学院 叶轮机械研 究所 ，西安 7 1 0 0 4 9 摘要 喷嘴配汽调节级具有大焓降和低反动度 的设计特点 而应 用于大功 率冲动式汽轮机 高压缸 中 论文 首 先综述 了大功率汽轮 机喷嘴配汽调节级的气动性能和气流激振方面的研究进展。然后 论文在 3 0 0 M W 汽轮 机 反 流初 始设 计喷嘴 配汽调 节级 的气动性能分析基 础上 ， 提 出 了顺流结构优化设计方案 ，、对反流初始设计和顺 流优化设计 的喷嘴 配汽调 节级在设计 工况和 变工况下气动性 能进 行 了分析 比较 研 究结 果表 明优化 设计 的 顺流结构具有优 良的气动性 能而结构设 计更加简单。论文最后给 出了研 究结论 并对 大功 率汽轮机调 节级 的 气动性 能分析和气流激振机理研 究方向进行 了展 望。 关键词 汽轮机 ； 啧嘴 配汽调 节级 ； 气动性能 ； 优化设计 中图分 类号 T K 2 6 1 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 25 5 4 9 2 0 1 1 0 1 0 0 0 5 0 6 I n v e s t i g a t i o n s o n Ae r o d y n a mi c Pe r f o r m a n c e a nd S t r u c t ur a l Op t i m i z a t i o n De s i g n o f No z z l e Go v e r n i n g St a g e f o r La r g e S t e a m Tu r bi ne s Y A NG Ho n g ，Y A NG J i a n d a o ，L I J u n ，Y A N Xi n ，H E A - p i n g ，F E NG Z h e n - p i n g f 1 ．Sh a n g h a i E l e c t r ic Po we r Ge n e r a t io n E q u i p me n t Co． ，L t d ．Sh a n g h a i Tu r b in e Pl a n t ，S h a n g h a i 2 0 0 2 4 0，Ch i n a； 2 ．I n s t i t u t e o f T u r b o ma c h i n e r y，Xi ’ a n J i a o t o n g Un i v e r s i t y，Xi ’ a n 7 1 0 0 4 9，Ch i n a Abs t r a c t T h e n o z z l e g o v e r n i n g s t a g e wi t h l a r g e e n t h a l p y d r o p a n d l o w r e a c t i o n c h a r a c t e r i s t i c s h a s b e e n wi d e l y u s e d i n l a r g e p 0 we r i mp ul s e s t e a m t ur b i ne s ． Th e s t a t e o f t he - a r t a e r o d y na mi c p e rfo r ma n c e a nd flui d e x c i t a t i o n o f no z z l e g ov e r n i n g s t a g e f o r l a r g e p o we r s t e a m t ur bi ne s a r e r e v i e we d ． Th e n， t he t h r e e d i me n s i o n a l a e r o d y na mi c De l南 r ma n c e 0 f r e v e r s e- cu r r e n t flo w r e f e r e n c e d n o z z l e g o v e r n i ng s t a g e o f 30 0MW s t e a m t u r b i n e i s a n a l y z e d a t f i r s t ． Th e c 【 n c u r e n t fll 1W s t r u c t u r e s o f n o z z l e g o v e r n i n g s t a g e b a s e d o n t h e r e v e r s e c ur r e nt flo w r e f e r e n c e d de s i g n a r e D r e s e n t e d． Ba s e d o n a e r o d v n a mi c p e r f o r ma nc e o f de s i gn e d a n d u ff- d es i g n e d c o nd i t i o ns ， t I1 e r e v e r s e c ur r e nt flo w r e f e r e n e d n o z z l e g o v e r n i ng s t a g e a nd c o n c ur r e nt flo w d e s i g n pl a n s a r e nu me r i c a l l y i n v e s t i g a t e d．Th e o b t a i n e d r e s u l t s s 1 1 0 w t h a t t h e o p t i mi z e d c o n c u r r e n t fl o w s t r u c t u r e n o z z l e g o v e r n i n g s t a g e h a s b e t t e r a e r o d y n a mi c p e r f o r ma n c e a n d r e l a t i v e s i mp 1 e s t n l c t u r e c o mp a r i s o n o f t h e r e v e r s e ． cu r r e n t t l o w r e f e r e nc e d de s i g n． I n t h e e nd， me r e s e a r c h a n d de v e l o p me n t o f t h e n oz z l e g o v e r n i n g s t a g e i n t he a er o dy na mi c p e rfo r ma n c e a na l y s i s a n d flu i d e x c i t a t i o n me c h a ni s ms i n v e s t i g a t i o n a r e s umma r i z e d． Ke y wo r ds s t e a n l t ur b i ne；no z z l e g o v e r ni n g s t a g e；a er o dy na mi c pe r for ma n c e； o pt i mi z a t i o n de s i g n 随着环保要求越来越严格 ， 对大功率汽轮机 通流部分气动设计的要求也越来越高 ， 特别是大 功率汽轮机的高压进汽结构和低压排汽结构 的气 动设计和优化对于提高机组的气动效率和运行经 济性具有非常重要 的作用。汽轮机的高压进汽结 构 由于结构和运行方式的原因造成进汽和流动具 有非轴对称和非周期性的特性 ， 使得高压进汽结 构的气动效率较低。因此正确理解和掌握汽轮机 高压进汽结构的三维流场特性 ， 尽 可能地提高高 压进汽结构的气动效率对于提高高压缸乃至整个 机组性能具有至关重要 的作用。 汽轮机喷嘴配汽调节级一般具有 4个或 6个 收稿 E t 期 2 0 1 01 21 5 作者简介 阳虹 1 9 7 2一 ， 女， 毕业于西安交通大学 ， 副总工程师 ， 设计研究所所 长， 长期从事汽轮机 ， F 发和设计 T作 。本 论_文获得 2 0 1 0 年度 中国动力工程学 会透平专委会学术研讨会优秀论文奖 ≥ 鬣 啊 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1期 汽轮机调 节级气动性能分析和结构优化设计 调节阀， 每个调节阀只控制～组喷嘴组进汽 。依 次开启或关闭调节阀， 即可改变喷嘴组面积 ， 控制 进人汽轮机 的流量 ， 实现负荷改变。由于各阀依 次开启 关闭 ， 在任意工况下， 仅一阀部分开启 ， 其余各阀均为全开 全关 ， 故进入汽轮机的总流 量 中， 只有流过部分开启的阀门的小部分蒸汽受 到节流 ， 从 而大大 改善 了机组低 负荷 的热经济 性 ⋯ 。 对于大功率汽轮机喷嘴配汽调节级机组 ， 一 般有顺序阀定压运行 、 单 阀节流运行和滑压运行 3种运行方式 。每种运行在一定的工况都具有 自 身的优点。顺序阀定压运行方式是指从锅炉来的 主蒸汽参数维持定值 ， 通过调整调节阀开启 的数 目和调节阀开度来改变进入汽轮机的蒸汽流量从 而达到调整汽轮机负荷的 目的。单阀节流运行方 式是指从锅炉来的主蒸汽参数维持定值 ， 所有调 节阀处于相同的开度 ， 调节级基本处于全周进汽 状态。汽轮机负荷 的调整是通过改变调节阀的开 度来实现。在低负荷工况下， 这种运行方式 由于 各调节阀开度较小， 节流损失很大。滑压运行方 式是指保持调节阀的开度不变， 通过改变锅炉主 蒸汽压力来调节机组负荷 ， 机组可以在阀门开启 数 目不同的条件下滑压， 最少的阀门开启数 目受 到安全性的限制。对于典型的 4个调节阀的汽轮 机 ， 滑压运行模式可以采用 4阀、 3阀和 2阀 。 本文开展了 3 0 0 MW 汽轮机喷嘴配汽调节级 全三维气动性能分析。在三维气动性能分析的基 础上进行了喷嘴配汽调节级结构优化设计并进行 了数值验证。 1 汽轮机喷嘴配汽调节级的研究进 展 对 于大功率冲动式汽轮机喷嘴配汽调节级 的研究主要集中在部分进汽度工况下调节级的气 动性能研究、 喷嘴配汽调节级不同运行方式对机 组经济性影响和最佳运行方式研究 、 喷嘴配汽调 节级气 流激振和对 轴系稳定 性影 响的研究 3个方 面。目前大多数研究集中在喷嘴配汽调节级部分 进汽时的流场形态和气动性能分析方面。 H e 研究 了部分进汽工况下透平级的非定 常流动特性。研究结果揭示 了部分进汽工况下流 动的非轴对称和非周期性对透平叶栅内非定常流 曩一 一墨 动特性 的影响。B o h n和 F u n k e 实验研究了部分 进汽造成的非均匀气流对四级透平气动性能的影 响 ， 特别是对第一透平级的影响。实验测量 了关 闭调 节级 2 0 ％ 的进 汽 弧 段 会 导致 多 级 透 平进 汽 压力 、 速度和温度的非均匀性 。研究结果表明 气 流的非均匀性在多级透平的进 口表现明显 ， 但是 流动在第三级后基本均匀。F r i d h等 实验研究 了具有低反动度汽轮机叶片的 2级轴流透平在不 同部 分 进 汽 度 下 的 气 动 性 能 和 效 率 特 性。 H u s h m a n d i 等 数值研究 了部分进汽下的轴流汽 轮机内非定常流动特性。H u s h m a n d i 等 在不考 虑进汽调节阀的情况下开展了部分进汽对 2级透 平气动性能的影响研究。数值模拟结果表 明 第 一 级动叶片在经过不进汽弧段时经历很大的非定 常力的变化。同时在动叶进入不进汽弧段时前缘 出现一个很大的压力下降。 在喷嘴配汽调节级运行方式对机组经济性和 最佳运行方式研究方面， 朱予东等口 针对聊城电 厂的 6 0 0 M W 汽轮机顺 序 阀开启 方式进 行 了研 究。在调节级热力计算和有限元强度校核的基础 上 ， 将原先顺序阀开启方式改为对角开启顺序阀 方式并结合实验情况对重叠度进行优化。改进后 的汽轮机运行效果 良好 ， 经济性效益显著。主要 表现在轴承瓦温、 轴振 、 上下缸 温差 等指标均 良 好 ， 机组运行安全稳定 ； 流量特性 良好 ， 机组运行 平稳 ， 能够满足电网一次调频要求。张晓霞 对 大功率汽轮机喷嘴配汽调节级的运行方式与气动 效率进行了研究， 并给 出了综合进汽压损和调节 级内效率的因素， 调节级总效率按高低排序依次 为四阀、 三阀、 二阀滑压 、 顺序阀和单阀。 在喷嘴配汽调节级的气流激振以及运行方式 对轴系稳定性 方面 ， 郭瑞和杨建 刚 开 展 了某 3 0 0 MW 汽轮机进汽方式对调节级叶顶间隙蒸汽 激振力影响的研究。研究结果表 明 进汽方式对 气流激振力影响较大。在一定范围内气流力随偏 心量的改变而线性改变。对动态气流力的研究结 果表明 气流激振不仅产生交叉刚度项 ， 还会产生 直接刚度项 。良好的设计和运行方式能减小气流 激振力 ， 有利于机组 的安全运行。 随着计算机技术和计算流体动力学软件 的发 展， 李军和晏鑫等 ’ 加 率先开展了大功率汽轮机 喷嘴配汽调节级整个调节级段的全三维流场计算 和气动性能分析， 全 面揭示 了喷嘴配汽调节级在 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 气轮机调节级 气动性能分析和结构优 『 匕 设计 热力透平 不 同阀 门开启 和开 度下 的调节 级段 非周 期性 和非 轴对 称 的三维 流 场 形态 ， 给 出 了部 分进 汽工 况 下 的调 节级 内弧段 损失 和调 节级段 损 失发展 和 演化 机理 ， 为 大功率 汽 轮 机 喷 嘴配 汽 调 节 级 的运 行 方 式优化和结构改进设计提供了可靠的数据依据和 技术 参考 2 喷嘴配汽调节级气动优化设计 本 节 采用 全 三 维数 值 方法 开展 3 0 0 MW 汽 轮 机喷嘴配汽调节级的高压进汽结构进行优化改进 设计的工作 ， 旨在降低制造加工和安装成本 ， 提高 设 计工 况 和变工况 的气 动性 能 。主要 内容是 比较 反流初始设计结构和顺流优化设计结构的高压进 汽喷嘴配汽调节级 的气动性能， 优化喷嘴室过渡 段 ， 同时开展三维数值验证。 图 1和 图 2分 别 给 出 了反 流 初始 没计 的 3 0 0 MW 汽轮机 喷嘴配汽调节级的计算 区域三维 结构图和部分计算 网格 图。从 图中可以看 出， 汁 算区域包括三个部分 6个阀门腔室 、 1 2 6只静叶 、 1 0 2只动 叶， 以及套筒结构。汽流从 6个 管道的 进 口流入腔室， 经过静叶的膨胀使速度提高 ， 进入 动叶做功。然后经过套筒的引导进入压力级继续 做功。本研究 中计算区域 的范围是从调节阀出口 到压力级第一级 的进 口。各 阀门编号 如 图 1所 示 ， 阀门腔室 5， 3 ， 6号 的上 半和下 半 4 ， 2 ， 1 号 成中心对称 。各几何结构严格按照真实机组 结构进行三维造型， 每个喷嘴组间均缺一个叶栅。 静叶 动时‘ 图 1 反流初始设计的凋节级段结构 图 2 a ， b ， c 是 6个阀门腔 室的几何模型及 计算网格的局部放大 图， 其 中阀门腔室和套筒计 算区域均采用非结构化 网格 ， 为了更好地模拟边 界层附近的流动 ， 近壁面区做了局部加密 ， 叶栅组 采用结 构化 网格 。总 的计 算 节点 达 9 2 3万 ， 单 元 数 1 9 2 2万。其中腔室区域的计算节点为 1 0 0万 ， 网格 总 体 质 量 大 于 0 ． 2 。叶 栅 组 总 网 格 约 6 0 7 万 ， 最小角 度大于 3 5度。套筒 区域 网格数 约为 2 1 6万 ， 网格总体质量也大于 0 ． 2 。 a 反流结构腔室组 的模型及局部计算 网格 c 反 流结构套简 的几何模型及局部计算 恪 图 2 反 流初始设计结构 的模型和计算网格网 图 3和 图 4分 别 给 出 了顺 流优 化设 计 原 形 的计算区域和局部计算网格图。顺流结构也可以 分为 3个部分 6个 阀门腔室 、 1 2 6只静 叶、 1 0 2只 动叶 ， 以及动 叶出口延伸段。顺流优化设 计原形 结 构 的叶栅组 的型线 与反流 结构相 同。顺 流 优化 设 计原 形结 构 的 叶栅 组 的型线 与反 流 结构 相 同。 腔室和出 口延 伸段计算 区域均采用非结 构化 网 格 ， 近壁面边界层 区域采用结构化网格加密 。总 的计算节点数 目是 9 6 6万 ， 各部分节点数 日分别 囊囊啊 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 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1期 汽轮机调节级气动性能分析和结构优化设计 表 3 计算得到的腔室内总压损失 3 结论与展望 3 ． 1 结 论 对 3 0 0 MW 汽轮机高压缸进汽整个调节级部 分进行了详细地数值分析 ， 对 比反流初始设计和 顺流设计的气动性能 ， 并优化设计喷嘴室过渡段。 采用三维 数值分 析软件 A N S Y S C F X对 3 0 0 MW 汽轮机高压进汽腔室包括调节级的气动分析 ， 从 进汽 口一直分析到第一级压力级前面， 6个喷嘴 室， 整个调节级 ， 分别开展了 6阀全开、 5阀全开、 4阀全开和 3阀全开等 4种工况 的计算分析 ， 研 究讨论了部分进汽造成 的流动损失， 给出了反流 初始设计结构的流场形态和气动效率 。 采用三维数值方法分析了顺流优化设计原形 高压进汽腔室气动性能和流场特性 ， 分别完成 了 6阀全开 、 5阀全开 、 4阀全开和 3阀全开等 4种 工况的计算分析， 研究结果表明 6阀全开工况下 顺流设计的总效率要比反流设计的调节级效率高 约 1 ． 8个百分点 ； 5阀全开工况下两者效率相近； 但 4阀和 3阀全开工况下反流结构效率要 比顺流 结构高 1 2个百分点。这说明 反流结构的变工 况特性要 比顺流优化设计原形优 良。 在顺 流优化设 计 原形 分 析研 究 的基 础上 ， 提 出了优化设计 I I I 型顺 流结构 ， 并对顺 流优化设 计 I I I 结构进行了详细地数值研究。研究结果表明 6阀全开工况条件下 ， 采用顺流优化设计 I I I ， 相对 于顺流原型 ， 调节级 的效率可提高 1 ． 2 ％ ； 但在 5 阀全开工况时 ， 优化设计 I I I 的效率比原型的效率 高0 ． 5 6 ％； 在4阀和 3阀全开工况时 ， 两种结构的 性能十分接近。优化设计 I I I 的流量会 略大于原 型， 但变化不大。从腔室内的总压损失看 ， 优化设 计结构 I I I 腔室 内的总压损失基本与反流结构相 近。 3 ． 2展望 随着三维造型软件 、 计算力学和计算机硬件 圜- I 水平的不断发展 ， 大功率汽轮机复杂结构的三维 流场形 态 、 气动 性 能 和结 构 强度 分析 研 究 已经 为 汽轮机机组性能的提高发挥越来越重要的作用。 展望 目前的超超临界汽轮机机组和下一代的高超 超 临界 汽轮机 机组 的设计 研 发 目标 ， 需要 在 以下 4个关键 技术方 面开展 研究 。 1 大功率汽轮机高压进汽调节级段的气动 性能研究。针对大功率汽轮机高压进汽的复杂结 构 ， 结合三维造型和 C F D技术 ， 依托高性能并行 计算机系统 ， 开展大功率汽轮机高压进汽结构调 节级段的非轴对称和非周期性的流场特性和气动 性能分析研究 ， 深刻理解和掌握大功率汽轮机高 压进汽结构的流动机理和损失分布， 为高性能调 节级段的设计和结构改进提供技术数据和理论支 持 。 2 大功率汽轮机调节级段 的汽流激振机理 研究 。由于高压缸转子的偏 心涡动造成汽 流激 振 ， 对大焓降设计的调节级叶栅 的气动性能和安 全性都会产生很大 的影 响。另外， 对于喷嘴配汽 调节级的大功率汽轮机由于设计工况多是部分进 汽工况， 调节级段在部分进汽工况造成 的非轴对 称和非周期性的流动特点对高压缸转子系统产生 不平衡作用导致转子系统失稳。开展调节级段 的 非定常汽流激振机理和控制技术 的研究 ， 对于提 高大功率汽轮机高压进汽调节级段的运行经济性 和安全可靠性具有现实的工程应用价值。 3 大功率汽轮机调节级段最佳运行方式的 研究 。大功率汽轮机的高压进汽结构和低压末级 与排汽缸结构设计对于整台机组的气动性能和安 全可靠性具有重要作用。结合调节级段在不 同运 行方式下的气动性能以及对高压缸和整台机组经 济性影响的分析 ， 提出大功率汽轮机调节级的最 佳运行 ， 为大功率汽轮机 的运行经济性提高提供 技术支持和理论依据。 4 大功率汽轮机调节级段的多学科多 目标 最优结构设计的研究。大功率汽轮机调节级段的 结构设计优化涉及流动和结构强度等多学科 ， 提 高调节级段的气动性能和安全可靠性， 需要开展 结合三维参数化造型 、 气动力学和结构力学的多 学科分析方法进行调节级段的优化设计 ， 为全面 提高高压进汽调节级段 的性能， 进而提高高压缸 和整台机组性能提供最佳的气动设计和安全可靠 保证。 下转第3 2 页 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1期 汽轮机 叶片改型及 三维气动优化设计 表 2 级组总体 性能比较分析 6 结论 本文基于 C F D方法， 应用 N U ME C A软件包 的 D e s i g n 一 3 D模块对某低压 叶片级组进行 了三维 叶片扭曲规律的优化， 从原级组 叶片的分析结果 看 ， 次末级动叶 1 2 ． 5 ％叶高处存在明显 的涡 ， 经 过优化， 消除了该通道涡 减小 了级组的流动损 失 ， 提高了级组的效率。从最终选择 的方案可 以 看出， 本次改进优化基本达到了预期效果。本文 对亚音速叶片进行扭 曲规律优化效果 比较 明显， 并将人工神经网路与遗传算法相结合来进行三维 流道的改型优化设计 ， 对于多级叶轮机械的优化 设计具 有普遍性 的方法 意义。 参考文献 [ 1 ]蔡颐年． 蒸汽轮机 [ M] ． 西安 西安交通大学 ， 2 0 0 6 ． [ 2 ]宋立 明． 基于进化算法的轴流式叶轮机械 叶栅气 动优化设计 系统的研究[ D] ． 西安交通大学博士学位论文 ， 2 0 0 6 ． [ 3 ]H e r z o g N，G u n d o g d u Y，K a n g G，S e u m e J R ． O p e r a t i o n o fa F o u r S t a g e T u r b i n e [ A] ．A S ME P a p e r G T 2 0 0 5 6 8 7 0 0． 2 0 0 5 ． [ 4 ]王乃宁， 张志刚． 汽轮机热力设计 [ M] ． 北京 水利电力 出版 社， 1 9 8 7 ． [ 5 ]王福军． 计算流体动力学分析 [ M] ． 北京 清 华大学 出版社 ， 2 0 0 6． [ 6 ]隋永枫 ， 孙 义冈， 丁旭东 ， 等． 不调频 叶片设 计改型研究 [ J ] ． 热力透平 ， 2 0 1 0 ， 3 9 1 1 92 1 ． [ 7 ]李军， 邓清华 ， 丰镇平． 基于进化算法的压气机叶型多 目标 优 化设计 [ J ] ．电机工程学报 ， 2 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n d Ai r ，GT 2 0 0 8 5 0 5 3 8，2 0 0 8 ． [ 7 ]朱 予东， 秦 占峰 ， 史新刚 ， 张婷． 6 0 0 M W 汽轮机组顺 序阀运行 方式研究 [ J ] ．汽轮机技术 ， 2 0 0 8 ， 5 O 2 1 3 91 4 5 ． [ 8 ]郭瑞 ， 杨建刚． 汽轮机进汽方式对调节级 叶顶间隙蒸汽激 振 力影响的研究[ J ] ． 中国电机工程学报 ， 2 0 0 6， 2 6 1 81 1 ． [ 9 ]晏 鑫， 李军 ， 丰镇平 ， 等．大功率汽轮机调节级全三维气动性 能的数值研究[ A] ． 工程热物理年会 ， 重庆 ， 2 0 0 6 ． [ 1 O]X i n Y a n ， J u n L i ，Z h e n p i n g F e n g ，G a n g y u n Z h o n g ，Q i l i n Wu ， J i a n l u Wa n g ． C o m p u t a t i o n a l H u i d Dy n a mi c s A n a l y s is A p p r o a c h T o t h e A e r o d y n a mic P e rf o r ma n c e of a N o z z l e C o n t r o l l i n g S t a g e _厂 0 r A 6 0 0 MW S t e a m T u r b i n e[ C M] ．P r o c e e d i n g s o f t h e I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n P o w e r E n g i n e e r i n g 2 0 0 7 ，Z h i a n g Un i v e r s it y P r e s s＆ S p r i n g e r P r e s s ，2 0 0 7 1 3 9 41 4 0 0． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m