12 MW汽輪機調節級葉片的優化仿真

耿毫偉，周俊杰

(鄭州大學，河南 鄭州 450001)

汽輪機作為蒸汽動力裝置的主要設備之一，是將蒸汽的熱能轉換成機械功的一種旋轉式機械，其在航空、火力、電力、水力、核能發電設備及新能源的利用等都有著廣泛的應用[1]。近些年來，隨著我國對能源需求量的不斷增大，煤炭價格也是持續上升，電、煤供應形勢顯得格外嚴峻[2]，因此，對汽輪機進行氣動性能的數值計算，從而找到提高汽輪機發電效率和降低能耗的方法成為了當前電力行業刻不容緩的艱巨任務[3]。國內外學者對汽輪機的數值仿真也一直沒有停止過。

常東峰、谷偉偉以600 MW汽輪機調節級為研究對象，分析了復合閥和順序閥兩種配氣方式3中工況下調節級葉片的氣動載荷，并采用三維有限元法數值分析了三種工況下的瞬態動力響應和動應力[4]。范小平、曹守洪等采用有限元方法調節級動葉采用雙T型葉根的成組調節級頻率進行了計算，準確模擬了調節級動葉實際工作狀態，提高了計算精度[5]。本文以12 MW軸流式汽輪機為研究對象，并對其進行了幾何結構優化。

1 幾何結構優化

1.1 幾何模型

圖1 幾何模型

為了詳細的準確的模擬計算，利用SolidWorks按照比例1∶1進行幾何建模，先分別畫出噴嘴，動葉柵，轉導，由于其實圓周陣列分布，因此取一個單元進行計算。再由SolidWorks進行組裝配合得到幾何模型，如圖1所示。

1.2 網格劃分

利用mesh進行網格劃分，采用結構化網格劃分時，其網格質量采用非結構網格劃分時要差，另外，Meshing的強大功能主要體現在非結構網格劃分上，生成網格的時間也較快。如圖2所示。

圖2 網格劃分

1.3 邊界條件設置

表1 進出口類型及邊界條件

在CFX軟件中，定義噴嘴的進口為inlet，第二級葉柵的出口為outlet。根據汽輪機葉片之間相互運動的周期性，在靜葉和動葉垂直于軸向的截面位置為周期性邊界，在靜葉和動葉之間的交界面采用stage模式。

1.4 求解設置

在ANSYS CFX-Pre中，旋轉機械的壁面函數有no slip wall、free slip wall和rotating(no slip)三種方式。由于此次仿真計算沒有考慮葉頂間隙的影響，壁面函數采用no slip wall。工質為理想水蒸汽，導葉和噴嘴設置為靜止，一、二級葉珊為旋轉，轉速為3000 r/min。求解方式采用High Resolution，收斂控制為自動時間尺度(auto timescale)。求解殘差控制在1×10-5。

2 汽輪機葉片的氣動性能分析

2.1 靜、動葉型線的優化

對于靜、動葉的優化，通過改變型線的頭緣，尾緣，內弧和背弧的半徑，來改變型線的形狀，通過CFX對其優化過的型線進行數值校核，得到了最優的型線。型線圖和型線尺寸如表2、3所示。

表2 靜葉型線優化前后尺寸

表3 動葉型線優化前后尺寸

2.2 數值模擬分析

利用CFX對優化后的型線進行數值模擬，對其結果進行分析得出溫度，壓力，等熵效率，軸功率等隨軸向距離的變化曲線。

圖3 優化前后溫度云圖

圖4 優化前后速度云圖

圖5 優化前后沿軸向距離的溫度變化曲線

圖6 優化前后沿軸向距離的速度變化曲線

圖3、圖4分別為優化前后的溫度和速度云圖；圖5、圖6分別為優化前后溫度、壓力隨軸向距離的變化曲線，結合兩個溫度云圖可知蒸汽在噴嘴和轉導出的溫降和壓降都比較大，從而體現出了噴嘴處的做功能力比較高，優化前的溫降為60℃，而優化后的溫降大概為82℃，相比原先溫度降低了22℃，從而增大了進出口焓降；由圖4分析可知，在噴嘴出口處的速度相對于優化前而言，優化后的速度增加，說明噴嘴出口處的蒸汽動能增加，而在葉柵出口的速度要比優化前的葉柵出口速度低，從而在整個調節級的蒸汽流動過程中，蒸汽的動能轉化為葉柵的機械能有所改善，使汽輪機的效率得到提高。

圖7 優化前后軸功率隨軸向距離的變化曲線

圖8 優化前后等熵效率隨軸向距離的變化曲線

圖7為優化前后軸功率隨軸向距離的變化曲線，從圖中可以看出優化后軸功率要比原來提高了1.2 kW，平均增長率了11.6%左右，從而體現出對原始型線優化后，在噴嘴處高溫高壓蒸汽的熱能轉變蒸汽的動能的效率有了很大的提高，同時在葉柵中蒸汽的動能轉化為動葉的機械能，能量的損失較之原型線而言也有了一定的提高。

圖8為優化前后等熵效率隨軸向距離的變化曲線， 從圖中可以看出，原始型線的等熵效率在調節級的后面的比較低，在噴嘴處的等熵效率較大，與優化后的型線相比，等熵效率在噴嘴出的差別大不，說明在噴嘴處的蒸汽的實際做功能力要比后面的轉導葉片大，而在葉柵處，優化后的等熵效率要比原始的型線大大改觀，說明了在葉柵處蒸汽蒸汽的做功能力有了很大的提高，對整體分析可得其等熵效率大概提高了15.8%。

3 結論

通過對12 MW汽輪機調節級靜、動葉型線的數值仿真，對其分析后得到如下結論：

(1)對汽輪機優化前后，軸功率提高了1.2kW。較原始葉型平均提高了11.6%。

(2)對比優化前后葉型的等熵效率可知，優化后的等熵效率較原始葉型提高了15.8%。

(3)分析優化前后的溫度、壓力曲線，可知優化后的溫降要比原先增大了22℃，從而增大了進出口焓降，提高了整體的汽輪機效率。