沖動式汽輪機級平衡孔面積對級性能影響的研究

劉網扣, 張兆鶴, 崔 琦, 江路毅

(上海發電設備成套設計研究院,上海 200240)

提高汽輪機效率最關鍵的是要提高通流部分的流動效率,汽輪機組通流部分級間吸漏狀況以及吸漏氣量對通流部分的效率影響很大[1-2].尤其在沖動式汽輪機中必須設置平衡孔,平衡孔面積的合理取值成為困擾設計工作者的一個難題[3-4].隨著氣動試驗和數值模擬手段的應用和發展,平衡孔結構設計對透平級流動性能的改善日益顯著,合理的平衡孔面積可以起到改善動葉根部流動、減小泄漏損失及其與主流的摻混損失并提高透平級做功能力[5-6].

筆者針對某600 MW機組高壓缸沖動式級的模擬透平級在隔板汽封一定的條件下,改變平衡孔的孔徑和總面積,對模擬透平級進行數值計算分析,研究平衡孔面積的變化對透平級效率及氣動性能的影響.計算結果與空氣透平試驗的結果進行了比較、分析,并提出沖動級平衡孔設計的一些原則.

1 透平級模型介紹

圖1為模擬透平級的通流簡圖.該級靜葉為正彎靜葉,也稱為馬刀型靜葉,葉片數為40;動葉片為彎扭葉片,葉片數為60.葉頂汽封齒采用4齒平齒,齒間隙為0.37 mm;隔板汽封齒為兩高兩低齒,齒間隙0.5mm;級間腔室近根部布置有一只徑向汽封齒,齒間隙0.7 mm.流經透平級各部分的流量定義如下:

圖1 模擬透平級的通流簡圖Fig.1 Schematic diag ram of the flow path of simu lated stage

g0為透平級的總流量;g c為隔板汽封漏氣量;gd為平衡孔漏氣量;gf為級間葉根吸漏氣量.令g1為既從隔板汽封漏出又從平衡孔漏出的流量.g′0=g0-g1稱作透平級葉柵部分實際的流量.本文中級間根部氣體吸入主流稱為“吸氣”,定義為“正”;級間根部氣體從主流漏出稱為“漏氣”,定義為“負”.

2 數值計算方法

采用NUMECA商用CFD軟件進行計算.湍流模型采用S-A模型.空間差分采用Jamson中心差分格式,CFL數為3,時間項采用4階Runge-Kutta法迭代求解.為加速收斂,計算采用多重網格技術,結合變時間步長以及殘差光順方法,以獲得最快的收斂速度.葉片流道采用HOH網格拓撲結構,葉頂汽封、隔板汽封局部加密,汽封流道與主流道、平衡孔與汽封通道均采用FNMB連接.包含隔板汽封和葉頂汽封的透平級網格總數為148萬,包含平衡孔的透平級網格總數為587萬(包含5個葉柵流道).葉片流道最小正交性為32,90%的網格正交性大于72,99%的網格長寬比小于1 000,網格質量良好.

3 數值計算結果及比較分析

3.1 無平衡孔透平級計算結果

原模型級的設計中動葉為60片,輪盤上開有5個平衡孔.因計算機資源有限,筆者僅對包含5個葉柵流道、扇形輪盤上開有一只當量孔的計算模型進行了計算.由于將原5個平衡孔的孔徑折合為計算模型中的當量孔,會造成平衡孔的流量系數有一定差別,對計算結果有一定影響,本文中對此未做深入分析.

對無平衡孔、無隔板汽封的計算模型和無平衡孔、有隔板汽封的計算模型分別進行了數值計算.在對無平衡孔、有隔板汽封的模型進行計算時,隔板汽封漏氣量完全從級間根部吸入主流.表1為無平衡孔透平級的計算結果.有隔板汽封時,隔板汽封相對漏氣量為0.839 9%,相比無隔板汽封的計算模型,造成級效率相對下降量為1.381 2%,級效率變化隨隔板漏氣量變化的相對變化率為-1.64.參考文獻[7]中詳細分析了級間根部漏氣量對級效率的影響,試驗與計算結果均顯示:在一定的漏氣量范圍內,隔板汽封相對漏氣量每增加1%,相對級效率下降1.5%～1.7%,即隔板汽封漏氣進入主汽流會造成級效率的較大下降,這與本文的計算分析是一致的.由表1的數據還可以看出,有隔板汽封漏氣時級根頂部反動度、流量系數均有一定抬高.靜葉損失變化不大,吸氣進入主汽流會造成動葉損失的增加,這主要是由于徑向吸入的氣流嚴重干擾了主汽流的流動,增大了動葉根部的端損區及端損,造成級效率的下降[3].

表1 無平衡孔透平級計算結果Tab.1 Computation results of the turbine stage without ba lance hole

3.2 平衡孔面積變化對透平級級性能的影響

3.2.1 平衡孔面積變化對透平級效率的影響

表2為平衡孔面積變化計算方案.筆者共計算了孔徑2～12 mm的8個方案.計算中保持平衡孔數量不變,每片動葉對應一個平衡孔,透平級進出口參數不變,通過改變平衡孔孔徑來改變平衡孔總面積.圖2至圖7中曲線包括平衡孔面積為0(有隔板汽封無平衡孔)的工況點.

表2 平衡孔面積變化計算方案Tab.2 Calculation scheme of balance holearea

圖2為級效率隨平衡孔面積變化的計算曲線.從圖2可以看出,隨著平衡孔面積的增大,透平級效率逐漸提高;在平衡孔面積較小時,級效率增加較快,隨著平衡孔面積進一步增大,級效率變化趨緩,直至最后變成一條近似水平的直線.從該曲線可以看出,葉輪的平衡孔可明顯提高透平級效率.這是由于開平衡孔時隔板汽封的漏氣量部分或全部從平衡孔流入下一級,改善了級間根部及動葉進口流動狀況,提高了透平級做功能力.但是隨著平衡孔面積的進一步增大,級效率逐漸呈一常數(0.885 3),這是由于隨著平衡孔面積的增大,平衡孔前后的壓差減小,通過平衡孔的蒸汽流量并未進一步增加.由以上分析可知,合理設置平衡孔比不設置時級效率提高了0.71%,占隔板漏氣對效率影響量的58%.

圖2 級效率隨平衡孔面積變化計算曲線Fig.2 Curvesof stage efficiency varying with balance hole area

3.2.2 平衡孔面積變化對各流量的影響

圖3 透平級流量隨平衡孔面積的變化Fig.3 Cu rves of turbine stage flux varying w ith balance hole area

圖4 隔板汽封漏氣量、平衡孔流量、級間根部吸漏氣量隨平衡孔面積的變化Fig.4 Flux of clapboard seal leakage,balan ce hole and suction/leakage at root of b lade varying with balance hole area

圖3為透平級流量隨平衡孔面積變化的曲線.從圖3可以看出,隨著平衡孔面積的增大,透平級總流量逐漸增加并趨于常量,而葉柵部分實際流量變化也逐漸趨于常量.圖4為隔板汽封流量、平衡孔流量和級間根部吸漏氣量隨平衡孔面積變化的計算結果.從圖4中可知隔板汽封漏氣量隨平衡孔面積增大略有增加,變化很小.平衡孔流量隨平衡孔面積增大逐漸增加.在平衡孔面積較大時(φ=8 mm、10 mm、12 mm)流量變化很小,這主要是由于在沖動式透平級間和級后壓差很小,平衡孔面積進一步增大雖然增大了通流面積,但是平衡孔前后壓差會減小,流量并不會進一步增加.級間根部吸漏氣量隨平衡孔面積增大由正值逐漸變為負值,即由“吸氣”狀態變為“漏氣”狀態,并在平衡孔面積較大時維持一個相對穩定的漏氣量.從圖4曲線可得出,級間葉根不吸不漏工況時的平衡孔面積約為1 280 mm2.

3.2.3 相對級效率變化的計算結果

圖5為相對級效率變化量隨級間根部相對吸漏氣量的變化.圖5中有文獻[3]得到的試驗及計算曲線,也有本文的計算點.圖5的橫坐標相對吸漏氣量中透平級流量基準值采用的是g′0,縱坐標相對級效率中計算級效率采用g′1,流量對級效率按下式進行了修正:

式中 :η′u修正為無隔板汽封、無平衡孔時基本級的級效率.

圖5 相對級效率變化量隨級間根部相對吸漏氣量的變化Fig.5 Cu rves of relative stage efficiency varying w ith suction/leakage flux

隨著平衡孔面積的增大,級間根部流動從“吸氣”狀態向“漏氣”狀態過渡.從圖5可以看出,在平衡孔孔徑為2mm、3 mm和4 mm時,級間根部呈“吸氣”狀態,隨相對吸氣量增加,相對級效率下降;隨著平衡孔面積增大,在平衡孔孔徑為6 mm、7 mm、8mm、10 mm 和12mm 時,級間根部呈“漏氣”狀態,隨相對漏氣量增加,相對級效率提高.從表2可知,φ=4mm時平衡孔的總面積已大于產品中的平衡孔總面積.以上結果說明,對于根部反動度約為10%的沖動級,要達到-1%的相對漏氣量從而獲得最佳級效率是不太可能的.但要獲得較高的級效率,在葉輪結構和強度允許的情況下,平衡孔的總面積可適當加大.

3.2.4 平衡孔面積變化對動葉損失的影響

圖6為不同平衡孔孔徑下動葉能量損失系數沿葉高的變化.在平衡孔孔徑φ=2 mm時,級間根部處于“吸氣”狀態;φ=6 mm、10 mm 時,級間根部處于“漏氣”狀態.從圖6中的曲線可以看出,平衡孔孔徑減小后動葉根部損失在增加.造成該變化的主要原因是在平衡孔孔徑為2mm時,級間根部處于吸氣狀態,由于吸入氣流干擾了主流的流動,引起氣流進入動葉,使沖角損失及動葉根部二次流損失增加,并導致級效率下降;隨著平衡孔孔徑的增加,級間根部處于漏氣狀態,靜葉出口根部低能流體的排出,減薄了根部進入動葉的邊界層厚度,有利于改善動葉根部的端部流動,使端損下降而提高動葉效率和相應的級效率.

圖6 動葉能量損失系數沿相對葉高的變化Fig.6 Distribution of rotor energy loss coefficient along blade height

3.2.5 平衡孔面積變化對根部反動度的影響

圖7為根部反動度隨平衡孔面積的變化.從圖7可以看出,無平衡孔時根部反動度最高,隨著平衡孔面積增大,根部反動度逐漸減小并在平衡孔總面積達到大于約3 000mm2后趨于常量.級間根部呈“吸氣”狀態時反動度變化率遠大于級間根部呈“漏氣”狀態時的反動度變化率,這主要是由于級間根部“吸氣”時動葉流量增加、級間根部靜壓被抬高所致.

圖7 根部反動度隨平衡孔面積的變化Fig.7 Deg ree of reaction at root of blade varying w ith balance hole area

4 結 論

(1)在葉片流道設計一定的條件下要獲得較高級效率,盡可能減少隔板漏氣是關鍵;隔板漏氣是引起級間吸漏的主要原因.

(2)沖動級葉輪平衡孔的設計不可缺少,否則隔板漏氣全部吸入主流會造成級效率的較大下降.

(3)與無平衡孔的透平級相比,隨著平衡孔面積的增大,級效率逐漸提高;但面積增大至一定值后,平衡孔面積增大與平衡孔兩側壓差減小的效果相抵消,漏氣量增加極慢,級效率變化不明顯.

(4)在葉輪結構和強度許可的條件下,設計時平衡孔面積可盡量取大一些,以保證設計工況時級間根部保持不吸不漏或少量漏氣狀態.機組運行一段時間后隔板汽封間隙增大,平衡孔面積較大也有利于減小隔板漏氣量增加對級效率的影響作用.

(5)對于反動度較小的沖動級,要獲得最佳級間漏氣工況(相對漏氣量約-1%)是不太可能的.

[1] 王仲奇.透平機械原理[M].機械工業出版社,1979.

[2] 蔡頤年.蒸汽輪機[M].西安交通大學出版社,1988.

[3] 梁小兵,馮增國,孔祥林,等.汽輪機級間吸漏氣量對級性能影響的研究[J].東方電氣評論,2008,22(2):18-21.LIANG Xiaobing,FENG Zengguo,KONG Xianglin,et al.Rearch of leakage flow to turbine stage performance[J].East Electrical Comments,2008,22(2):18-21.

[4] 王建錄,孔祥林,劉網扣,等.正彎靜葉和直葉靜葉透平級氣動性能的對比分析[J].動力工程學報,2010,30(1):5-9.WANG Jianlu,KONG Xianglin,LIU W angkou,et a l.Comparative analysis for aerodynam ic performance of turbine stage with positive curved and straight stator blade[J].Journal of Power Engineering,2009,19(2),35-36.

[5] 梁安江.靜葉斜置對葉柵性能及級特性影響的研究[D].上海:上海發電設備成套設計研究所,2002.

[6] 劉利宏,方韌,徐星仲,等.帶平衡孔結構透平級內部流動的數值模擬[J].汽輪機技術,2004,46(2):45-47.LIU Lihong,FANG Ren,XU Xingzhong,eta l.Simu lation ana lysis o f turbine stage with balance ho le[J].Turbine Technology,2004,46(2):45-47.

[7] 劉網扣.正彎靜葉透平級靜、動葉間吸漏氣對級氣動性能影響的試驗和計算分析[D].上海:上海發電設備成套設計研究院,2009.