工業(yè)汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級段復(fù)雜流動特性研究

禹志根，陳金銓，袁 浩，藍(lán)吉兵，隋永楓,

(1.杭州汽輪機(jī)股份有限公司工業(yè)透平研究院，杭州 310022; 2.杭州汽輪動力集團(tuán)有限公司，杭州 310022)

工業(yè)汽輪機(jī)[1]需適應(yīng)不同的負(fù)荷，而噴嘴配汽方式由于其變工況經(jīng)濟(jì)性高，常用于工業(yè)汽輪機(jī)的設(shè)計(jì)中。汽輪機(jī)機(jī)組的調(diào)節(jié)級常采用沖動式設(shè)計(jì)，以防止噴嘴調(diào)節(jié)時因部分進(jìn)汽而產(chǎn)生較大的漏汽損失，而且可增加調(diào)節(jié)級焓降。調(diào)節(jié)級至壓力級之間存在過渡腔室，將高徑向位置的調(diào)節(jié)級出口氣流導(dǎo)流至低徑向位置的壓力級入口。另外，過渡腔室還起到摻混調(diào)節(jié)級出口氣體的作用，使壓力級入口流場分布更加均勻。調(diào)節(jié)級、過渡腔室和壓力級第1級間上下游流動相互影響，流場復(fù)雜，三維流動特征明顯，流動損失大，加之變工況時噴嘴組開啟數(shù)量變化會導(dǎo)致部分進(jìn)汽度變化，這些都加大了區(qū)段內(nèi)流動情況分析的難度。

屈煥成等[2]對帶進(jìn)汽腔室的汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級進(jìn)行全周三維數(shù)值分析，并提出結(jié)構(gòu)修改方案以提高調(diào)節(jié)級效率。謝金偉等[3]對汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥-調(diào)節(jié)級段的三維流動與壓力損失進(jìn)行了分析，認(rèn)為調(diào)節(jié)級內(nèi)流動表現(xiàn)有明顯的非軸對稱性，在調(diào)節(jié)閥關(guān)閉狀態(tài)下，下游噴嘴葉柵會對經(jīng)過的動葉中的高壓流體產(chǎn)生抽吸作用，引起該區(qū)域壓力損失。趙洪羽等[4]對調(diào)節(jié)級后過渡腔室的流動情況進(jìn)行了計(jì)算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，CFD)數(shù)值研究，分析了兩種不同設(shè)計(jì)的過渡腔室內(nèi)的流動分布。李勇等[5]對汽輪機(jī)通用特性曲線的計(jì)算方法進(jìn)行了研究，提出了改進(jìn)的迭代算法，并進(jìn)行了實(shí)例分析。Denton[6]研究了機(jī)組運(yùn)行方式與部分進(jìn)汽汽輪機(jī)級損失的關(guān)系。文獻(xiàn)[7-8]對部分進(jìn)汽調(diào)節(jié)級的三維流動特性和受力進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，結(jié)果顯示部分進(jìn)汽對機(jī)組的運(yùn)行安全也會產(chǎn)生影響。

國內(nèi)外學(xué)者對調(diào)節(jié)級氣動性能及其前后流域流場特性分析做了大量研究工作，但是基于調(diào)節(jié)級、過渡腔室和壓力級流域的綜合分析依然缺乏，存在詳細(xì)研究的必要。

本文以某工業(yè)汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級、過渡腔室和壓力級第1級為研究對象，建立了該區(qū)段全周三維模型，應(yīng)用ANSYS-CFX數(shù)值計(jì)算軟件在4閥點(diǎn)、3閥點(diǎn)和2閥點(diǎn)工況下對區(qū)段內(nèi)三維流動和壓力損失情況進(jìn)行了分析，旨在詳細(xì)分析該區(qū)段流場分布和氣動性能損失情況，為后續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

1 數(shù)值模擬

主汽閥處流出的高壓高溫蒸汽經(jīng)4個調(diào)節(jié)閥分配后流至調(diào)節(jié)級。調(diào)節(jié)級靜葉柵包含相應(yīng)4組噴嘴組，周向均勻分布于上半缸，各噴嘴組占據(jù)相同長度弧段，配合調(diào)節(jié)閥的開閉，對機(jī)組運(yùn)行工況進(jìn)行控制。高溫高壓蒸汽在調(diào)節(jié)級做功后進(jìn)入過渡腔室，經(jīng)導(dǎo)流、摻混后再進(jìn)入壓力級。圖1是某工業(yè)汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級-過渡腔室-壓力級第1級區(qū)段的三維模型示意圖。在調(diào)節(jié)級噴嘴組入口設(shè)置數(shù)值計(jì)算入口，如圖1所示。當(dāng)相應(yīng)閥點(diǎn)工況噴嘴組入口對應(yīng)上游調(diào)節(jié)閥全開時，就設(shè)置邊界為入口邊界，并給定相應(yīng)蒸汽參數(shù)，否則設(shè)置邊界為絕熱壁面邊界。

圖1 模型示意圖

由于從調(diào)節(jié)級經(jīng)過過渡腔室至壓力級第1級出口的幾何拓?fù)涫謴?fù)雜，因此根據(jù)不同區(qū)域特點(diǎn)分塊，相應(yīng)選擇四面體和六面體的網(wǎng)格劃分方法。調(diào)節(jié)級和壓力級第1級采用Turbo-Grid軟件進(jìn)行六面體網(wǎng)格劃分；過渡腔室具有阻流板和其余復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)，采用四面體網(wǎng)格劃分。最終劃分的三維CFD模型的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)總數(shù)為1 636萬。圖2為模型整體、調(diào)節(jié)級葉柵及壓力級葉柵網(wǎng)格示意圖。

(a) 整體網(wǎng)格 (b) 調(diào)節(jié)級葉柵

(c) 壓力級葉柵

圖2 網(wǎng)格示意圖

選擇4閥點(diǎn)、3閥點(diǎn)、2閥點(diǎn)3個典型工況進(jìn)行數(shù)值分析。采用時均化N-S方程進(jìn)行三維CFD計(jì)算。由于計(jì)算域流場分布復(fù)雜，需要對分離流動有更準(zhǔn)確的預(yù)測，因此湍流模型選擇SST模型。差分格式采用二階迎風(fēng)格式。在動靜交界面處選擇凍結(jié)轉(zhuǎn)子模型進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。調(diào)節(jié)級入口給定總溫、總壓，壓力級出口根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況給定靜壓。忽略換熱影響，壁面設(shè)置為絕熱無滑移邊界。當(dāng)三個方向的動量方程殘差低于10-5，且出入口質(zhì)量流量偏差低于0.1%時，判定計(jì)算收斂。計(jì)算工況和模型幾何參數(shù)及說明分別如表1和表2所示。

表1 計(jì)算工況表

表2 調(diào)節(jié)級主要幾何參數(shù)及說明

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 過渡腔室流動分析

4、3、2閥點(diǎn)工況下三維流動流線圖對比如圖3所示，從中可以看到過渡腔室的整體流動情況。調(diào)節(jié)級出口氣流流至過渡腔室內(nèi)，變?yōu)閺?fù)雜有旋流動。從三維流線的均勻程度和速度分布變化可以看到，從4閥點(diǎn)到2閥點(diǎn)工況的變化過程中過渡腔室內(nèi)流動效率不斷惡化。4閥點(diǎn)工況流動組織情況較好，進(jìn)汽弧段高速流體在調(diào)節(jié)級中做功后流至調(diào)節(jié)級出口，周向位置無明顯偏轉(zhuǎn)。過渡腔室內(nèi)流體的切向速度比3閥點(diǎn)和2閥點(diǎn)工況小。主流和調(diào)節(jié)級非進(jìn)汽弧段后擋流板的交匯處有小股由動葉鼓風(fēng)形成的高壓射流進(jìn)入過渡腔室外側(cè)空腔內(nèi)，驅(qū)動腔內(nèi)低能流體形成兩股環(huán)繞外側(cè)環(huán)腔的相向旋流，最終在0點(diǎn)方向匯聚后向下返回主流。3閥點(diǎn)工況下過渡腔室內(nèi)整體流動比4閥點(diǎn)工況時更混亂，腔室內(nèi)流體速度更快，圍繞周向旋轉(zhuǎn)的特征更顯著。2閥點(diǎn)工況下，腔室內(nèi)流體切向速度達(dá)到最大值。切向速度大會使流動距離快速增加，引起摩擦損失增加。

(a) 4閥點(diǎn)側(cè)視 (b) 4閥點(diǎn)正視

(c) 3閥點(diǎn)側(cè)視 (d) 3閥點(diǎn)正視

(e) 2閥點(diǎn)側(cè)視 (f) 2閥點(diǎn)正視

圖3 4、3、2閥點(diǎn)工況下三維流動流線圖對比

另外，在3閥點(diǎn)和2閥點(diǎn)工況下，調(diào)節(jié)級噴嘴的非進(jìn)汽段會抽吸相鄰噴嘴和下游動葉高壓流體，在內(nèi)部形成復(fù)雜無序的三維流動，使損失增大，同時對下游的動葉流道形成干擾。

為更好地觀察周向不同特征位置的流體流動組織情況，給出水平中分面和垂直中分面的子午面流線圖。水平中分面流線圖的視圖上方對應(yīng)逆來流方向看去視圖位置的9點(diǎn)鐘處。從3閥點(diǎn)工況的子午面流線圖可以看出，在部分進(jìn)汽的影響下，周向流動不對稱性明顯，又由于腔室內(nèi)軸向距離短，過渡圓角小，過渡腔室上游排出的高速流體對過渡腔室側(cè)壁有直接、猛烈的沖擊，因此導(dǎo)流過程生硬。2閥點(diǎn)和3閥點(diǎn)工況下，過渡腔室出口流入壓力級的部分區(qū)域甚至出現(xiàn)回流。4閥點(diǎn)工況下，過渡腔室外側(cè)端壁拐角處出現(xiàn)最大速度。隨閥點(diǎn)減少，過渡腔室內(nèi)最大局部速度分布區(qū)域逐漸向內(nèi)端壁拐角側(cè)偏移。

圖4給出過渡腔室子午面流線圖。拉長過渡段軸向距離可能會減少流體直接撞擊壁面產(chǎn)生的損失，但受整機(jī)布局限制，調(diào)整幅度有限。水平中分面上的流動組織比垂直中分面更混亂，這是因?yàn)橹蟹置媛菟ńY(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要空間，減少了該處的有效通流面積，流體在此處產(chǎn)生大量分離和漩渦。尤其在各工況下，過渡腔室水平子午面圖的9點(diǎn)位置處，有極大的流動損失。該處位于高流速的主流區(qū)域，高速流體在切向和軸向兩個方向上均遇到阻擋，流道縮放變化劇烈，這使附近區(qū)域流動異常混亂，最終形成圖中的流線分布結(jié)果。

(a)4閥點(diǎn)垂直中分面 (b)4閥點(diǎn)水平中分面

(c)3閥點(diǎn)垂直中分面 (d)3閥點(diǎn)水平中分面

(e)2閥點(diǎn)垂直中分面 (f)2閥點(diǎn)水平中分面

不同工況調(diào)節(jié)級入口至各截面效率如圖5所示，不同工況各流域效率變化如圖6所示。從圖5、圖6可以看出，隨閥點(diǎn)減少，過渡腔室損失劇烈增加，使區(qū)段總效率快速降低。過渡腔室的損失占總區(qū)段損失比例增加。隨著部分進(jìn)汽度的降低，調(diào)節(jié)級、過渡腔室、壓力級首級的流動效率均不斷降低。其中調(diào)節(jié)級、過渡腔室流動效率惡化的幅度隨閥點(diǎn)減少而增大，壓力級首級則相反。過渡腔室一方面承擔(dān)導(dǎo)流作用，將高根徑的調(diào)節(jié)級出口氣流導(dǎo)流至壓力級入口；另一方面促進(jìn)流動在腔室內(nèi)摻混，使壓力級入口氣流比調(diào)節(jié)級出口更均勻，但摻混時會伴隨可觀的總壓損失。

圖5 不同工況調(diào)節(jié)級入口至各截面效率

圖6 不同工況各流域效率變化

2.2 壓力級第1級靜葉流動分析

隨著閥點(diǎn)數(shù)量降低，過渡腔室中流體切向速度增加，對壓力級第1級靜葉入口流場分布產(chǎn)生顯著影響。從圖7壓力級第1級靜葉前的氣流角度全周分布圖中可看到不同工況下氣流方向的變化。

圖7 壓力級入口氣流角度全周分布圖

3個工況中，4閥點(diǎn)工況下氣流方向與切向夾角幅值變動最大，分布在0°～140°范圍，該夾角每隔90°，波形分布呈現(xiàn)一定的相似性。3閥點(diǎn)時角度變化幅值較4閥點(diǎn)工況明顯減小，分布在0°～60°范圍內(nèi)，氣流與切向的夾角比4閥點(diǎn)工況更小。壓力級靜葉入口正攻角變大，攻角損失增大。在周向180°處，即垂直中分面下端，存在局部回流。2閥點(diǎn)時，切向氣流角分布情況與3閥點(diǎn)時基本相同，靜葉入口正攻角較3閥點(diǎn)有略微增加。盡管2閥點(diǎn)時過渡腔室內(nèi)主流切向速度更大，但因?yàn)?閥點(diǎn)下氣流角度已非常接近切向，所以3閥點(diǎn)和2閥點(diǎn)工況的切向氣流角度基本相同。

從逆來流方向向上游看，調(diào)節(jié)級出口和壓力級入口環(huán)形截面的總壓分布如圖8所示，可以看到壓力級入口主流的周向分布情況。隨閥點(diǎn)數(shù)量降低，壓力級入口主流的周向位置不斷沿逆時針方向轉(zhuǎn)動。在壓力級入口處，2閥點(diǎn)和3閥點(diǎn)工況總壓分布均勻程度較4閥點(diǎn)有明顯降低。

(a) 4閥點(diǎn)

(b) 3閥點(diǎn)

(c) 2閥點(diǎn)

對壓力級靜葉內(nèi)的流動情況進(jìn)行分析，受篇幅所限，本文只呈現(xiàn)具有代表性的中間葉高截面的二維流線圖，如圖9至圖11所示。4閥點(diǎn)工況流道全周范圍內(nèi)無明顯分離。3閥點(diǎn)工況下，入口不均勻?qū)е律嫌握{(diào)節(jié)級鼓風(fēng)區(qū)對應(yīng)下游區(qū)域的靜葉處氣流堵塞嚴(yán)重，部分主流區(qū)域靜葉吸力面前緣出現(xiàn)馬赫數(shù)1.5以上的局部加速。2閥點(diǎn)工況下，進(jìn)汽不均勻度繼續(xù)增加，鼓風(fēng)區(qū)對應(yīng)的下游流動狀況繼續(xù)惡化，吸力面流動分離幾乎堵塞靜葉柵通道的2/3。但3閥點(diǎn)工況正攻角無明顯增加，所以由3閥點(diǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)?閥點(diǎn)工況，壓力級的效率降低幅度比4閥點(diǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)?閥點(diǎn)時小。

圖9 4閥點(diǎn)壓力級靜葉內(nèi)流場

(a) 對應(yīng)上游鼓風(fēng)區(qū)弧段

(b) 主流弧段

(a) 對應(yīng)上游鼓風(fēng)區(qū)弧段

(b)主流弧段

3 結(jié) 論

本文采用三維定常數(shù)值模擬的方法，對某工業(yè)汽輪機(jī)3種變工況運(yùn)行條件下的調(diào)節(jié)級至壓力級第1級整體區(qū)段流場分布與壓力損失特性進(jìn)行了分析，得到如下結(jié)論：

1)隨閥點(diǎn)減少，過渡腔室中壓力損失逐漸成為影響調(diào)節(jié)級至壓力級第1級區(qū)段效率的最重要因素。從4閥點(diǎn)工況至2閥點(diǎn)，通流效率從86.1%降低至54.2%，過渡腔室內(nèi)總壓損失從2.2%增至45.8%。

2)過渡腔室內(nèi)流場分布復(fù)雜，三維流動特征明顯。隨閥點(diǎn)減少，氣流切向速度不斷增加，導(dǎo)致流動距離和摩擦損失增加。并且在水平中分面處，由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需提供螺栓安裝空間，流道局部收縮劇烈，造成極大的壓力損失。

3)壓力級靜葉入口攻角在4閥點(diǎn)至3閥點(diǎn)工況時有顯著增加，而在3閥點(diǎn)至2閥點(diǎn)時幾乎不變。隨閥點(diǎn)減少，壓力級入口氣流分布不均勻度增加，調(diào)節(jié)級鼓風(fēng)弧段對應(yīng)的下游流道內(nèi)流動不斷惡化。過渡腔室內(nèi)流動對壓力級第1級工作狀況影響顯著。