汽輪機低壓進汽室的數值優化分析

王娟麗， 錢禹龍， 王姍， 王松， 陶功新， 楊志

（東方電氣集團東方汽輪機有限公司， 四川 德陽， 618000）

1 前言

電力是國民經濟的基礎， 因此對電廠各部件的研究有著至關重要的意義。 汽輪機作為電廠的重要部件， 效率提高對節能降耗以及各經濟性指標有重要影響。 數值計算的方法對低壓進汽室的分析已經有大量研究[1-3]。

本文用數值分析的方法對某汽輪機低壓進汽室進行優化分析， 研究了低壓進汽室增加導流環結構， 優化導流環， 以及改變腔室結構等優化措施對進汽室流場、 總壓損失等氣動性能的影響。

2 數值方法、 模型及網格

2.1 數值方法

數值計算使用商用軟件CFX， 生成非結構化網格， 為滿足湍流模型要求， 物面添加邊界層網格， 網格參數滿足分析軟件的網格要求。 計算采用SST 湍流模型， 工質采用Steam5； 在高性能計算機上進行， 多節點并行。

2.2 模型及網格

本次分析所用的計算模型， 是根據設計圖紙，采用三維建模軟件ProE 完成。 本文所研究的4 種模型： Case1為常規進汽腔室， 內無導流環， 進汽腔室結構見圖1， 縱剖視圖見圖2 （a）； case2與case1唯一不同的是帶導流環結構1， 見圖2（b）；case3是將case2的導流環結構進行改進， 帶導流環2， 見圖2 （c）， case4進汽腔室上下半收縮并變截面設計， 上下加分流擋板， 并帶導流環， 見圖3，這種結構設計使氣流進入主流通道更加均勻。

圖1 整體模型示意圖

圖2 子午方向剖視圖

圖3 case4 模型示意圖

進汽模型網格劃分見圖4， 壁面邊界層取10層網格， 第一層網格取0.01 mm， 延展比取2.3；幾種方案進汽模型網格數大約為750～1100 萬個。

圖4 進汽模型網格劃分示意圖

2.3 計算邊界條件

（1）進口條件： 在計算過程中， 計算域的進口設定為總壓、 總溫。 進口總壓和總溫按照進口面均勻處理。

（2）出口條件： 出口邊界條件設定為流量。

（3）固體壁面處理為絕熱無滑移邊界條件。

計算進口邊界條件給定如表1 所示。

表1 低壓缸計算邊界條件

3 計算結果

3.1 總體性能

計算結果如表2 所示。 無導流結構的case1總壓損失最大， case3的整體總壓損失比case1小0.03%。 case4的出口流速降低， 總壓損失最小，比case3小0.22%， 可見進汽腔室的改進使氣流更均勻地流入主流通道， 降低了損失。

表2 低壓進汽計算結果

3.2 結果分析

圖5 為4 種模型的三維流線圖，從圖5（a～c）可以看出進汽室下半氣流較少， 上半氣流比較集中，氣流分布很不均勻。 圖5（d）氣流分布較均勻， 可見進汽腔室結構改進使得腔室流體分布更加均勻。圖6 為case1～case3特征截面導流環附近流線圖，比較導流環的作用。 圖7 為case1～case3的特征截面導流環附件速度云圖， 可以看出原始模型與無導流環模型的氣流流入出口通道時， 都有個藍色低速區， 這是因為蒸汽由上向下流， 撞到到缸壁時， 會有一個速度的損失， 在中間部分速度受到缸壁的垂直阻力變得很小， 因而產生了1 個低速區。 而加入導流環以后， 氣流由上向下流動的時候， 經過導流環， 使氣流平滑分流、 均勻進入兩邊的出口通道。 中間的低速區消失了， 這也減小了蒸汽動能的損失。 進入出口通道的時候， 由于加入了導流環， 流道呈漸縮狀， 因而使氣流在流動時候可以重新組織。 速度云圖中整個速度層分層減少， 這也說明， 加入導流環以后氣流進入第一級的時候氣流組織更加均勻， 進而可以提高氣流的做功能力。

圖5 三維流線圖

圖6 特征截面流線圖

圖7 特征截面速度云圖

圖8 ～9 為case3、 case4的出口截面壓力和速度分布云圖。 可以看出case4的壓力與速度分布都比case3的分布均勻。 因此進汽腔室上下半有不同程度的收縮， 并且增加分流結構使進汽更均勻地分布在整個腔室， 使主流通道氣流更加均勻， 降低了出口平均速度， 總壓損失大大降低。

圖8 出口截面壓力云圖

圖9 出口截面速度分布云圖

4 結論

通過計算結果可得出如下結論：

（1）低壓進汽室加入導流環后， 氣流組織更加均勻， 氣流在進入主流通道時由于分流作用， 減弱了氣流與垂直壁面的碰撞， 減小了動能損失，提高了做功能力。

（2）低壓進汽室結構改進（case4）， 使得進汽腔室氣流分布更加均勻， 出口截面壓力， 速度等參數分布均勻， 減小了出口氣流速度， 使得總壓損失大大減小， 比case3的總壓損失降低了0.22%。