汽輪機調節級氣動性能分析和結構優化設計

劉鈺林

摘 要：噴嘴配氣調節級具有大焓降和低反動度的設計特點，因而被廣泛應用于大功率沖動式汽輪機高壓缸中。本篇文章首先介紹了大功率汽輪機噴嘴配汽調節級氣動性能的目前發展情況，以及氣流激振方面的研究進展。其次，文章分析并研究了1000MW和300MW汽輪機，并且在研究300MW汽輪機時，基于反流初始設計噴嘴配汽調節級氣動性能分析，提出了順流結構的優化方案。并且，在反流初始設計方案中噴嘴配汽調節級氣動性能和順流優化方案中噴嘴配汽調節級氣動性能兩者之間，通過分析比較在設計工況和變工況下的氣動性能，得出了順流結構優化方案設計簡單、應用型強的優勢。文章的最后，對大功率汽輪機噴嘴配汽調節級氣動性能和氣流激振的發展前景進行了詳細的描述。

關鍵詞：汽輪機；噴嘴配汽調節級；氣動性能；優化設計

在經濟飛速發展的現代社會，大功率沖動式汽輪機的優化研究受到全國各地的青睞。大功率汽輪機的高壓進汽結構以及低壓排汽結構的氣動性能優化能明顯提高機組的氣動效率，經濟上可觀，操作上可行；但于高壓進汽結構而言，它的運行方式和結構會造成進汽和流動具有非對稱性和非周期性特點的結果，降低了高壓進汽的運行效率；因此，如何改進高壓進汽結構，才能使得機組的運行更簡單更高效，就依賴于對高壓進汽結構三維流場特性的精確掌握和合理運用。

噴嘴配汽是指汽機通過改變調節汽門的開度和開啟數目來改變進汽量的方式，汽輪機噴嘴配汽調節級一般具有4個或6個調節閥，每個調劑閥控制一組噴嘴組進汽，噴嘴配汽在部分負荷時，汽機通過改變調節汽門的開度和閥的開啟數目來改變進汽量的方式，而此時，只有未全開的調節汽門中蒸汽節流較大，而其余全開汽門中的蒸汽節流已減小到最低，所以定壓運行時的噴嘴配汽與節流配汽相比，節流損失較少，效率較高，但負荷變動調節級汽室溫度變化大，熱應力熱變形大，負荷適應性差。汽門中蒸汽節流較大，而其余全開汽門中的蒸汽節流已減小到最低，故定壓運行時的噴嘴配汽與節流配汽相比，節流損失較少，效率較高，但負荷變動調節級汽室溫度變化大，熱應力熱變形大，負荷適應性差。

大功率汽輪機噴嘴配汽調節級機組一般情況下具有3種運行方式：順序閥定壓運行，單閥節流運行，滑壓運行。不同的運行方式在不同的工況下具有各自的優勢：順序閥是指各個調節汽門逐次開啟。在機組啟動時，通常采用單閥，其優勢在于可以使噴嘴組全周進汽，有利于機組金屬部件均勻加熱，減少因受熱不均勻導致機組的損壞；機組并網后，采用順序閥，可以讓多個調節汽門中只有一個閥門處于節流狀態，有利于減小節流損失，提高機組的熱效率。而滑壓運行方式中，調節閥的開度保持不變，通過改變鍋爐主蒸汽的壓力進而調節機組負荷，機組可以在閥門開啟數量不同的情況下進行滑壓，但是有一定安全性的限制。典型滑壓運行模式為4閥，3閥和2閥。

（一）汽輪機噴嘴配汽調節級的目前情況

早期的汽輪機級數少，也沒有調節級的概念。從最早的反動式汽輪機到單級沖動式汽輪機，再到多級反動式汽輪機，在當時的功率和效率上都是領先地位的存在。發展到現在，大多數汽輪機都有調節進汽方式以達到調節負荷狀況使機組運行既符合經濟性又能提高效率的調節級存在，但少數節流配汽的汽輪機除外（帶基本符合）。隨著時代的發展，生產力發展的需求和國家節能環保系列政策的不斷提出，汽輪機技術水平的不斷攀升，人們對汽輪機各參數的要求在提高，噴嘴配汽調節級的優化方案也不斷被提出，高參數、大容量、高效率、高經濟逐漸成為汽輪機優化的主流方向。

對于噴嘴配汽調節的機組而言，調節級葉片的優化設計極大影響了汽輪機參數和容量的“升級”，比如說：當單流調節級提供不了機組功率等級增大所需求的條件時，雙流調節級就產生了。雖然雙流調節級流動問題明顯要比單流調節級復雜，但卻降低了單溜調節級大功率的結構設計風險。雙流調節級各方面性能都有提高，非周期性明顯，非均勻性增強，流動呈現極強的三維特性；但由于流動問題復雜，雙流調節級效率低下。對于超超臨界1000MW汽輪機來說，效率的高低極大程度上影響了它的經濟性。

對噴嘴配汽調節級運行方式對機組經濟性影響上來分析，有學者在600MW汽輪機順序閥的開啟方式上做了研究，在調節級熱力計算和有限元強度校核的基礎上啟用對角方式開啟順序閥的方法，并對重疊度進行優化，此種改進極大提高了機組的運行效率，同時也保證了機組的經濟性，其表現在于，機組的上下缸溫，軸振等各項指標狀況良好。經過汽輪機研究工作者們的不謝努力，綜合進汽壓損和調節級內效率以及考慮機組運行效率和經濟效益等因素，總結出調節級總效率的排序方式為：4閥，3閥，2閥滑壓，順序閥和單閥。

（二）噴嘴配汽調節級氣動性能的優化設計

本節在研究1000MW汽輪機時，將采用CFX軟件進行數值分析，此軟件采用FVM求解三維粘性可壓縮非定常雷諾時均方程組，為了計算結果的精確性，微分方程的離散選取高精度二階格式。由于動靜界面參數的不均勻，動靜葉之間采用了凍結轉子法，解決了計算機組參數時常規分析方法造成的參混損失以及氣動參數的不準確性。在這個研究中，既要考慮選取方法的可實用性，還要結合機組本身會出現的如雙流、單流調節級，調節閥開啟個數等情況造成的影響。

研究300MW汽輪機噴嘴配汽調節級時，本節采用全三維數值方法開展優化設計工作，主要目的在于降低制造成本，提高機組在設計工況和變工況情況下的氣動性能；分析比較前文提及的反流設計結構和順流優化設計結構的高壓進汽噴嘴配汽調節級的氣動性能，輔以數據驗證。在反流汽輪機噴嘴配汽調節級的計算區域三維結構中，含126只靜葉，102只動葉，6個閥門腔室以及套筒結構，閥門腔室和套筒計算區域采用非結構化網格，葉柵組則采用結構化網格，反流結構設計中每個噴嘴間都缺一個葉柵，葉柵分為動葉柵和靜葉柵，是汽輪機最基本的工作單元。通俗地說，一個葉柵類似于一個蒸汽通道，使機組更平穩地運轉。接下來分析順流優化結構，順流優化結構分為126只靜葉，102只動葉，6個閥門腔室及動葉出口延伸段，腔室出口延伸段計算區域采用非結構化網格，葉柵組的線型與反流初始結構設計相同。隨著機組的運轉，閥門開度的減小，順流結構優化設計的優勢逐漸展現，順流結構設計的余速越來越大于反流結構設計的余速，造成余速損失，因此，在實驗中不得不做進一步的改進，將原型角落光滑化，管道、腔室連接處光滑化，改變腔室彎轉半徑。在不同閥門開啟的工況下，提高了順流結構優化設計的氣動效率，減少相應損失，實在地保證了機組運行的高效性和經濟性。

結 語

隨著科學技術的飛速發展，三維造型技術不斷成熟，計算機力學的普及以及數值分析軟件的大規模開發，大功率汽輪機的調節級氣動性能也在不斷改進，為了滿足現階段社會工業對汽輪機功能的要求，從環保的角度出發，不斷對汽輪機調節級氣動性能以及氣流激振進行結構優化，努力實現高效率、高經濟、高環保，使機組經濟簡單，安全可靠，平穩運行。本文的優化達到預期效果，在汽輪機葉片腔室等結構上進行的改造對汽輪機以后的優化改造也具有一定的參考意義。

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