核電汽輪機高壓進汽分流結構的優化分析

（東方汽輪機有限公司，四川 德陽 618000）

核電汽輪機高壓進汽分流結構的優化分析

陶功新，段增輝，鐘主海

（東方汽輪機有限公司，四川 德陽 618000）

本文對某核電站1、2號機組汽輪機高壓缸通流改造方案中的高壓進汽分流結構進行了研究和分析，通過氣動分析，優化高壓進汽分流結構，減少壓力損失，保證設計方案的可行性。

通流改造；優化；進汽結構；氣動分析

2000年以后，國內新建核電機組大部分都在百萬千瓦以上。隨著機組老化、運行問題、擴容需求等因素，一些核電機組陸續進行了改造。某核電站1、2號機組高壓缸通流改造由東方汽輪機有限公司承擔，也是國內汽輪機制造廠商首次承擔的百萬千瓦核電機組改造。

該核電站1、2號汽輪機組型式為單軸、五缸八排汽、中間一次再熱、沖動凝汽式、全轉速核電汽輪機組。末級葉片選用鈦合金1200mm葉片，額定功率1060MW。

該兩臺機組高壓模塊的擴容改造設計點為增容至102%額定流量。

結合以往的工程經驗和流場分析可知，“汽缸進排汽部分”的壓力損失占整缸總損失的比例大概在10%左右。在進行汽輪機通流改造時也可以在這些區域挖掘潛力，通過優化汽輪機進、排汽結構的型線提高缸效率。為了進一步提高改造機組的經濟性，本文將著重對高壓進汽分流結構進行優化和分析。

1 汽輪機高壓進汽分流結構及優化

該核電汽輪機組的總體型式是由一個雙分流的高壓缸和四個雙分流的低壓缸組成。一個完整的高壓進汽分流結構由進汽球殼體、高壓內缸進汽腔室、高壓進汽分流環三個部分組成。

該機組高壓通流部分為雙分流結構，進入高壓內缸中部環形進汽腔室后的蒸汽被分流至前后兩個相同的高壓通流部分做功。結合工程經驗，由于高壓進汽蒸汽參數較高，品質也較高，優化該處的進汽結構可以得到明顯的收益。基于上述原因，對其中的高壓進汽分流環的結構進行了優化，并進行了優化前后的流場對比分析（圖1）。

圖1 優化前后分流環結構

從原高壓進汽分流環結構可以看出，其葉根處導流結構為兩個圓柱形的筒體，該結構無法主動引導蒸汽向前后兩側分流。由于蒸汽流速較高，在中間位置會產生流體漩渦及大量的邊界層，從而引起較大的壓損。

優化后的高壓進汽分流環采用“人”字型結構，并與前后兩側高壓第一級隔板內環配準并把合在一起，與高壓內缸進汽腔室型線組成完整的光滑流道。該結構能夠主動引導蒸汽向前后兩側分流，避免蒸汽產生漩渦及過多的邊界層，從而顯著的降低壓損。

為驗證優化前后高壓進汽分流結構氣動性能的好壞，在進行改造方案設計的過程中有必要對該進汽結構整體的氣動性能及其內部流場進行計算流體力學（CFD）分析。

2 優化前后的流場分析對比

2.1 數值模擬計算方法

計算中湍流模型選用SST模型，方程的離散采用二階差分格式。邊界條件按設計數據給定，進口邊界條件給定進口總壓P0和總溫T0， 出口邊界條件為流量G1，壁面按絕熱處理，壁面附近粘性支層的處理采用標準壁面函數法。

通過不同進氣室結構的三維流場特性的數值模擬，得到了各方案的總壓損失系數，并找出總壓損失系數最低的方案。

總壓損失系數定義：

2.2 計算模型及邊界條件

建立分析模型，為便于進行氣動分析，將完整的高壓進汽分流結構的內部進汽腔室采用實體化，并進行優化前后的流場分析對比。

用Pro ENGINEER軟件對高壓進汽結構汽道進行了全尺寸三維建模，模擬分析共計算了兩種進汽方案，方案一為優化前的結構，方案二為優化后的結構。

采用ANSYS_workbench根據流態變化的快慢和流道曲率變化的網格函數對進氣室進行非結構網格劃分,壁面第一層網格去0.01mm。

數值計算使用商用軟件CFX，采用SST湍流模型，工質采用可凝結流體的水蒸汽。計算工況為蒸發器額定熱功率工況。

2.3 計算結果

改造前后的高壓進汽分流結構內部進汽腔室流場分析見圖2、圖3和圖4。

圖2 原高壓進汽分流結構流場分析

圖2 和圖3是兩個模型的流線圖以及壓力分布圖。從圖中可以看出優化前的流線在進汽管與進汽腔室結合部附近小部分范圍不光順，其余大部分都是光順的，而優化后在整個區域內流線都是光順，進汽室流場比較均勻，沒有大的渦流的存在，因此優化后的氣動性能更好，較優化前進汽效率相對較高。

優化前后的總壓損失對比如表1所示。

表1

圖3 優化后高壓進汽分流結構流場分析

圖4 高壓進汽分流結構模型出口截面總壓及流速分布圖

經過對優化前后高壓進汽分流結構內部腔室的氣動分析可知，優化后結構的總壓損失遠遠小于原設計結構的總壓損失。經計算，該結構優化后，在額定熱功率工況下，機組有350kW左右的出力收益。因而對該結構優化具有明顯的經濟效益。

3 結語

汽輪機通流改造的目的是為了提高效率和機組出力。有效降低進汽和排汽部分的壓損，也是提高汽輪機組效率的研究方向。本文對高壓進汽分流結構的氣動分析表明，改進后的進汽模型的總體氣動性能較原結構有所提高，對整個汽輪機高壓缸通流改造的設計方案有較大的指導意義。

[1]馮增國. 東方電氣評論：汽輪機低壓進汽部分的數值計算和結構優化，2007,9.21(3).

TK263

A

1671-0711（2017）04（上）-0064-02