小流量工況下低壓缸進排汽參數對流場和葉片溫度的影響

徐佳敏， 劉網扣， 林潤達

(上海發電設備成套設計研究院有限責任公司， 上海 200240)

近年來，我國風電、光伏、水電等新能源電力裝機容量持續快速增長，我國電力系統調峰能力難以完全適應新能源大規模發展和消納的要求，部分地區出現了較為嚴重的棄風(光、水)問題[1]。因此，提高對新能源的消納能力，提高火電機組的運行靈活性迫在眉睫[2]。近年來，國內很多電廠進行低壓缸切除改造，讓低壓缸在小流量工況下運行，以提高火電機組的運行靈活性。

低壓缸在小流量工況下，會出現兩個主要問題：一是末幾級葉片區域流場會產生脫流和回流等現象；二是末級葉片進入鼓風狀態，葉片溫度升高，影響汽輪機安全運行[3-5]。為了確保汽輪機能在小流量下安全運行，須要對低壓缸進行數值計算。

1 計算模型與網格設置

1.1 計算模型

以國內某電廠汽輪機的低壓缸五級葉片為研究對象，采用數值模擬的方法，完成了額定工況和4種小流量工況下的計算。計算模型見圖1，采用單通道五級聯算，末級葉片高度為520 mm。

圖1 五級聯算模型

1.2 網格劃分

采用專業網格軟件生成六面體結構化網格，葉片網格見圖2。

圖2 計算網格

為了準確捕捉流場中的復雜流動特性，須要對當地網格的疏密程度進行控制。當網格過于稀疏，細節流動特征的捕捉會失真；而當網格過于密集，會造成計算資源的浪費。因此，在正式計算開始之前，須要對網格無關性進行研究，從而找出一套合適的網格尺寸。分別計算了4組不同網格下的數據，以次末級出口壓力為依據，將數值與上一網格數量下的結果計算出相對誤差(見圖3)。

圖3 網格無關性驗證

從圖3可以看出：網格在523萬時的相對誤差已經非常小，滿足要求，因此最終確定網格總數為523萬。各級葉片網格數量見表1，整個計算模型的網格數約為523.85萬。所有網格經過優化處理，貼近葉片壁面處的網格較密。

表1 各級網格數量

2 邊界條件

葉片流場計算采用專業軟件進行穩態求解，動靜葉片交界面采用凍結轉子模型。湍流模型采用剪切應力傳輸(SST)模型，該模型對于有流動分離的情況具有較好的適應性[6]。由于低壓缸末幾級的蒸汽已進入飽和狀態，計算工質設為汽水二元混合物。

計算了額定工況(質量流量為183.12 t/h)和4種不同進出口參數小流量工況(質量流量為10 t/h和5 t/h)，具體進出口參數見表2。

表2 5種工況進出口參數

3 結果與分析

3.1 計算結果

研究分析了小流量工況下低壓缸內部的流動情況和末級葉片溫度變化情況，通過有限元計算分析可以得到各個工況下低壓缸內部的流動情況及低壓缸末級葉片表面溫度。圖4～圖8分別為五級葉片的子午面流場。圖9為工況2和工況3的比體積變化。5種不同工況下末級葉片壓力面和吸力面溫度場的變化見圖10～圖14，圖中SS表示末級葉片的吸力面，PS表示壓力面。

圖4 工況1的子午面流場

圖5 工況2的子午面流場

圖6 工況3的子午面流場

圖7 工況4的子午面流場

圖8 工況5的子午面流場

圖9 工況2和工況3的比體積變化

圖10 工況1的末級葉片表面溫度

圖11 工況2的末級葉片表面溫度

圖12 工況3的末級葉片表面溫度

圖13 工況4的末級葉片表面溫度

圖14 工況5的末級葉片表面溫度

3.2 結果分析

3.2.1 進口質量流量對流場的影響

從圖4可以看出：在額定工況下，整個低壓缸的流場均勻，未出現回流現象。從圖5和圖6可以看出：當質量流量僅為10 t/h和5 t/h時，低壓缸出口區域和末三級葉片開始出現脫流和回流，最早開始回流的區域為出口區域靠近葉根的部位，且隨著進口質量流量的減小，出口區域和末三級葉片周圍的脫流和回流分離現象越來越嚴重。從圖6可以看出：在進口質量流量只有5 t/h時，末三級葉片均出現了汽流分離現象，末級葉片的動靜葉間隙的頂部以及末級葉片出口靠近葉根部位的脫流最為嚴重。

3.2.2 進口比體積對流場的影響

對比工況2和工況3可知：雖然工況3進口比體積高于工況2的進口比體積，但是由于工況3的進口比體積增大會使質量流量減小，使得它的體積流量并沒有高于工況2，因此從圖5和圖6的子午面流場可以看出，工況3的汽流分離現象比工況2要嚴重。同時，從圖9可以看出：在出口參數一致時，整個低壓缸汽流的比體積在出口位置會逐漸趨于一致，在末兩級基本趨于相同，均接近出口排汽比體積。因此增大進口比體積對于減緩低壓缸整個流場的脫流和回流現象沒有效果。

3.2.3 出口壓力對流場的影響

從圖7和圖8可以看出：對比工況4和工況5子午面流場，在進口質量流量相同的情況下，降低排汽壓力，有利于減緩小流量工況下流場汽流分離情況，對低壓缸寬負荷運行的適應性有一定好處。

3.2.4 進口質量流量和溫度對溫度場的影響

相比圖4、圖5和圖6中流場區域的溫度場可知：在小流量工況下，由于流場出現脫流和回流等現象，使得低壓缸末三級葉片開始進入鼓風狀態，且質量流量越小，鼓風效應越明顯。從圖6可知：由于末級葉片動靜葉間隙頂部和出口區域回流較為嚴重，該兩處的流場溫度較高。

3.2.5 進口溫度對溫度場的影響

從圖6、圖7和圖8可以看出：相比于工況3，工況4及工況5的整個流場溫度較低，因此進口溫度降低時，整個流場的溫度會降低，包括末級葉片。

3.2.6 進口質量流量對末級葉片溫度的影響

從圖11～圖14可以看出：4種小流量工況下，末級葉片的最高溫度均出現在靜葉片葉頂出汽邊附近。結合上述流場計算結果可知：在小流量工況下，出口區域流體在回流旋渦的影響下，末級葉片出汽邊出現較為嚴重的鼓風效應，回流漩渦將高溫流體擠進靜葉片通道，使末級靜葉片葉頂出汽邊附近的溫度較高。

對比圖10、圖11和圖12可知：隨著質量流量的減小，末級葉片的鼓風情況越來越嚴重，葉片表面溫度逐漸升高。額定工況下，末級葉片最高溫度為90.92 ℃，當質量流量僅為10 t/h和5 t/h時，末級葉片表面最高溫度分別為170.6 ℃和182.5 ℃，明顯高于額定工況下末級葉片表面溫度。由于計算中未考慮低壓缸出口區域的噴水情況，且葉片表面設定為絕熱條件，因此計算所得葉片表面溫度會略高于實際溫度。

3.2.7 進口溫度對末級葉片溫度的影響

從圖13和圖14可以看出：雖然工況4和工況5的進口質量流量和工況3的進口質量流量相同，但是工況4和工況5的葉片表面溫度明顯低于工況3葉片表面溫度，這是因為工況4和工況5進口溫度低于工況3進口溫度，由此可知，汽流進口溫度對于末級葉片的表面溫度有一定的影響，進口溫度降低，會使葉片表面溫度降低，可以減緩鼓風效應引起的高溫情況。

3.2.8 出口壓力對末級葉片溫度的影響

比較工況4和工況5的葉片表面溫度，可以認為降低出口壓力，同樣可以降低鼓風效應，從而降低葉片表面溫度。

4 結 語

通過對小流量工況下低壓缸五級葉片的數值計算，可以得到以下結論：

(1) 在小流量工況下，低壓缸出口區域和末三級葉片開始出現脫流和回流，最早開始回流的區域為末級葉片出口區域靠近葉根的部位，且隨著進口流量的減小，出口區域和末三級葉片周圍的脫流和回流分離現象越來越嚴重。

(2) 在出口參數一致的情況下，提高進口比體積，對于改善末三級葉片脫流基本沒有效果。

(3) 在小流量工況下，低壓缸由于鼓風效應的影響，出口區域和末三級葉片周圍的流場溫度較高。同時，相比于額定工況，葉片表面溫度也升高，最高溫度出現在末級靜葉葉頂區域。

(4) 當質量流量僅為10 t/h和5 t/h時，末級葉片表面最高溫度分別為170.6 ℃和182.5 ℃，必須采用噴水來保證末級葉片的安全性。

(5) 進口溫度較低的汽流對于末級葉片表面溫度的降低有一定的作用，可以減緩鼓風狀態引起的葉片高溫的情況。

(6) 低壓缸切除后，排汽流量大幅度減少，降低低壓缸排汽壓力在工程上是可行的。降低排汽壓力，有利于減緩小流量下汽流分離情況，也可以降低鼓風效應引起的葉片溫度，對于拓寬低壓缸的小流量運行范圍有一定作用。