新型余热利用透平（TRT）原型及优化设计气动特性的数值研究-.pdf

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 2 期 刘长春等 新型余热利用透平 T R T 原型及优化设计气动特性的数值研究 1 0 5 由于原型T R T的静叶在大部分叶高位置流动比较合理， 只是在两个角区存在一定程度的低能流体堆积， 采用小角度 的正弯可以获得一定程度的改善效果。特别是第 1 级静叶， 采用正弯后， 效率最大提高了约0 ． 2 5 个百分点， 同时效率变 化更加平缓。但鉴于实际 T R T运行可能要考虑全关的工况 ， 因此， 是否采用弯叶片还需要进一步考虑安全、 成本等诸多 因素。 采用弯叶片后会对 T R T的性能起到一定的改善作用 ， 但 效果并不明显。对于多级涡轮的设计和优化过程， 必须采用 多级整体优化的设计方法。 表 3所示为改型前后涡轮效率变化， 通过改型后涡轮效 率有了明显提高， 涡轮总效率提高了接近2 ％， 但改型设计后 动叶出口的余速有所提高， 使以出口静参数计算的流动效率 提升不明显， 应通过合理的出口排汽道设计 ， 最大程度地利 用涡轮出口 余速进一步提高涡轮效率。 如图5所示为改型设计前后各级叶栅沿根、 中、 顶 3个 叶高叶型的静压分布。 由于吸力面与压力面的压差代表了 _ E _ ● ’ ．、 _ 、 ～ _ ． _ _ ． 、 。 ． O R I l l O P T 1 }t 0． 9 0． 8 0． 7 l0 0． 6 0． S 0． 4 1 0． 9 0． 8 0． 7 I奇 0． 6 0． 5 0． 4 O． 7 0． 6 1 0 0 ．5 0． 4 。B 第一级静叶 5 ％叶高 ’ 1 ， t { ． - j 。】 8 潞 } l _】 aB 第一级动叶 5 ％叶高 o l ’ T 。 ’’ h 】 一 一 ； ， ⋯ -0、 、 I 。 ， ≯日 ‘ ， 0B 第二级静 叶 5 叶高 【 - ’ 、 、 1 1 - 懿 、 L 一 。。 0 ． 、 r 冉 、 ⋯ m 爿 1 8 ’ j }． 。 ‘ r I l 】 表 3 改型前后涡轮效率对比 涡轮各级的负荷， 内外端壁上吸力面与压力面压差大小和沿 相对轴向位置的分布与横向二次流强度直接相关。另外吸 力面沿轴向的逆压梯度位置和逆压梯度强度直接影响到叶 型损失， 调整叶栅内静压分布也是通常叶栅改型优化设计的 工作重点。 第 1级静叶叶型改型设计主要是降低了静叶负荷 ， 从图 中可以看到改型后静叶压力面与吸力面间的压差明显降低， 静叶进出口的落压比也有所减少。通过降低第 1 级叶栅的 做功量可以缓解叶栅内的二次流损失， 提高叶栅效率。 0 ． 9 0 ． 8 0 ． 7 l奇 0 ． 6 0 ． 5 O ． 4 1 B 第一级静叶5 0 ％叶高 ， 一．--翻 ． - 0 _ f l ’ r 。r 卅 ‘ 。 。 i - r 【 - 0 RI [ L {0 P T } Ⅺ B 第一级动叶 5 0 ％叶高 ． { l O I； Ⅱ i ’ l oI ’ Tv 一 一， 斗 ．；一 冀书 、 ● } ’ ～ ● 、 ‘‘ ． ， P J ． _ l 0． 7 0． 6 l0 0 ． 5 O． 4 I B 第二级静叶 5 0 ％叶高 _● } 孚 一 } 、『 。 ， ≥硝 ⋯ l 、 、 _ - ． 6 衍 0 0 ． 2 0 ．4 0 ． 6 0 ．8 1 ． 0 0 0 ．2 0 ． 4 0 ． 6 0 ． 8 1 ． 0 I B Ⅺ B 1 ． 1 1 ． 0 0 ． 9 l 0 ． 8 0 ． 7 0 ． 6 0 ． 5 0． 9 0． 8 0． 7 I奇 0． 6 0． 5 0． 4 1 0． 9 0． 8 0． 7 l 0 0． 6 0． 5 0． 4 } { _ ● 1 J -- - E 、 、 ， ； 、 土 -l ’ 1 0 R T l I 一 一 一 u r 11 ．I ⅪB 第一级静叶 9 5 ％叶高 1 ■。 - ～ 。 - - * ● ’ ’。 r 冉 -扣 ≯ ． ． ． 一 ’ 隆 ⋯ I 8 器 } 『 1 ． I j 丑 第一级动 叶 9 5 叶高 { O R I { o P T 一 ’⋯． 一 ～ ‘ h ． ． j 一 十 一 j ； ． } _ 一 ⋯ 卜 一 一} 。 B 第二级静叶9 5 ％叶高 -。1 ． _ I ’ 1 j ； ． 、 ； j l， ， ≮ ≥ 霹 I 王 ． l ； l 、 ● ＼ ． l O R I I f - l 错I 1 第二级动叶5 ％叶高 第二级动叶5 0 ％叶高 图 5 改 型前后沿各级叶栅不同叶高叶型静压分布对 比 。 B 第二级动叶9 5 ％叶高 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 0 6 汽轮机技术 第 5 6卷 第 1 级动叶叶型是整个优化设计的重点， 从图中可以看 到， 改型后动叶内的正冲角基本消失， 在动叶的根、 中、 顶 3 个位置冲角状况都得到了明显的改善， 叶栅内横向二次流强 度降低 ， 吸力面逆压梯度的位置向后推移， 逆压梯度强度也 有所降低。通过以上对流场结构的优化后 ， 动叶内叶型损失 和二次流损失得到明显降低。由于第 1 级动叶是整个涡轮 中流动损失最大的一级， 降低这一级的流动损失将使涡轮性 能得到明显提升。 由于第2级涡轮静叶流动损失不大 ， 冲角也较为合理 ， 没有对其进行重新优化， 因此级的负荷没有发生明显变化 ， 仅由于上一级负荷减少， 使其静压有所提高。 在第 2级涡轮的动叶设计中， 工作重点是提升级负荷 ， 以分担第 1 级涡轮的负荷。从图中可以看到， 改型后在优化 静叶冲角分布， 降低正冲角的同时也提高了这一级涡轮的级 负荷， 第 2级动叶的压力面与吸力面间的压差和级压比都有 3 结论 所增加。但尽管第 2级涡轮的动叶负荷有所提高， 但通过对 叶型合理的优化推迟了吸力面最低压力区域位置 ， 使得虽然 级负荷有所提高， 但叶型损失没有发生明显变化。 通过降低第 1级涡轮负荷， 提高第 2级涡轮负荷使两级 涡轮焓降分布更合理 ， 提高了涡轮的整体性能。由于第 2级 涡轮负荷提高， 随之增加第二级涡轮出 口的余速， 因此在整 体设计 中应采用合理排气通道设计， 以便利用涡轮出口余速 动能。 图 6表示改型前后 T R T效率变化。从图可以看到， 在低 压工况 T R T的效率得到明显提高， 最大效率提高达到2 ％。 而在高压工况， 在大部分工况下 T R T的效率都有所增加 ， 只 是在一些负荷较小的工况 T R T的效率略有降低。由于小负 荷工况 T R T出功仅为 1 MW左右， 微小的效率降低对 T R T整 体性能影响不大。总的来说经过改型后 T R T的效率得到明 显提高， 在最高效区域效率提高了2 ％。 p p 低压工况 b 高压工况 图 6 改型前后 T R T效率变化 方面存在一定的升级改造空间。 本文通过对 T R T准三维设计结果进行的计算和分析， 掌 握了所设计的T R T两级涡轮的整体性能和流场细节。计算 分析表明， 准三维设计的 T R T涡轮具有较高的气动性能 ， 叶 型损失和二次流损失都不大， 在设计的具有较高的流动效率 的同时也具有较高的变工况性能， 基本可以满足高炉 T R T装 置的设计要求。 对 T R T设计结果分析还发现， 设计中对部分级的焓降分 配不合理 ， 另外在反动度、 冲角、 叶型载荷分布和叶型设计等 针对流场计算和分析中所发现的问题 ， 研究了在各列叶 栅中分别采用正弯和反弯两种设计方法以提高叶栅的性能。 对比了不同弯曲方式发现， 在第 1级静叶采用正弯 l 0 。 和第 2级动叶采用反弯 1 0 。 的设计方法会在一定程度上改善叶栅 流动性能， 但改善效果并不明显 ， 不能满足设计要求。 为此， 对两级 T R T涡轮都进行整机参数化优化设计， 通 过改变级焓降分配、 叶列间和级间合理匹配、 优化叶型等提 升两级叶栅的气动性能。改型设计后涡轮性能得到明显提 高 ， 两级 涡 轮 总效率 由原型 的9 0 ． 4 ％ 提 高 到改 型后 的 9 2． 3 ％ 上接第 1 4 0页 [ 8 ] 徐旭， 俞 自 涛 ， 张夏博， 等．基于热经济学结构理论的煤多联 产系统性 能分析 [ J ] ．浙江 大学学 报 工学 版 ， 2 0 1 0， 4 4 3 4 8 94 9 3 ． [ 9 ] 李代智 ， 周克毅 ， 徐 啸虎 ， 等 ．6 0 0 MW 火 电机组 抽汽 供热 的热 经济性分析[ J ] ．汽轮机技术 ， 2 0 0 8 ， 5 0 4 2 8 2 2 8 4 ． [ 1 O ] 张超 ， 刘 黎明 ， 陈胜 ， 等．基于热经济学 结构理论 的热 力 系统性能评 价[ J ] ．中国电机工 程学报 ， 2 0 0 5 ， 2 5 2 4 1 0 8一 l 】 3． [ 1 1 ] L o z a n o M A ， V a l e r o A ． T h C o g e n e r a t i o n S y s t e m s[ J ] ． An a l y s i s o f Ga s Tu r b i n e AS ME， N E W YO R K， N Y U S A 1 9 9 3， 3 031 13 2 0． [ 1 2 ] 程伟 良， 王清照 ， 王加璇．3 0 0 MW 凝 汽机组 的热经 济学 成本 诊断[ J ] ．中国电机工程学报， 2 0 0 5 ， 2 5 8 1 2 6 1 2 9 ． [ 1 3 ] 孙家宁 ， 陈清林 ， 尹清 华 ， 等．基于能级 概念 的炯经济学 计价 策略 [ J ] ．热能动力工程 ， 2 0 0 3， 1 8 6 5 5 25 5 5 ． [ 1 4 ] 王加璇 ， 杨勇平．我 国热价设计理 论方法 的研究 I I 一热 、 电 成本分摊的符号炯经济学方法[ J ] ． 北京动力经济学院学报， 1 9 9 5， 1 2 2 7 4 8 0 ． [ 1 5 ] 孙锦， 张俊礼， 葛斌． 基于符号炯经济学的冷热电联供产 品成本分摊 [ J ] ．热能动力工程 ， 2 0 1 0， 2 5 5 5 0 1 5 0 5 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m