基于某超超臨界汽輪機(jī)組中壓切向渦流冷卻研究

張曉丹， 鐘主海， 周帥

（東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司， 四川德陽(yáng)， 618000）

1 前言

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和材料科學(xué)的發(fā)展， 超超臨界汽輪機(jī)的主蒸汽溫度和再熱蒸汽溫度呈增加趨勢(shì)， 部件的蒸汽冷卻技術(shù)目前已成為超超臨界汽輪機(jī)驗(yàn)證和生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)之一[1]。 進(jìn)口參數(shù)的提高對(duì)相關(guān)部件的耐高溫性能提出了更高要求，部分高溫部件未能有效冷卻降溫， 可能會(huì)對(duì)汽輪機(jī)的可靠穩(wěn)定工作， 壽命等產(chǎn)生影響。

目前比較常見(jiàn)的冷卻結(jié)構(gòu)進(jìn)汽口都采用了隔離高溫蒸汽的裝置， 延緩蒸汽與轉(zhuǎn)子的接觸。 在引入冷卻蒸汽時(shí)， 采用的方式不同， 但原理近乎相同， 都是采用低溫蒸汽與轉(zhuǎn)子接觸， 帶走轉(zhuǎn)子表面熱量， 從而降低溫度， 減少熱應(yīng)力。 切向渦流技術(shù)冷卻是直接從主流中分流一部分蒸汽， 無(wú)需引入新的冷卻蒸汽， 結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單， 冷卻后的蒸汽可以繼續(xù)流回主流通道做功， 提高了利用效率。 采用引入冷卻蒸汽， 結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜， 有一定能耗損失， 優(yōu)點(diǎn)在于冷卻效果穩(wěn)定。另外， 可以通過(guò)調(diào)節(jié)外部閥門(mén)的流量來(lái)控制轉(zhuǎn)子表面的溫度[2]。

本文研究的冷卻結(jié)構(gòu)為中壓缸斜置靜葉隔離結(jié)構(gòu)結(jié)合切向渦流冷卻技術(shù)[3]，具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。 切向渦流冷卻是指在中壓進(jìn)口段的中間體部分開(kāi)設(shè)數(shù)個(gè)切向冷卻孔， 利用渦流原理， 中壓再熱蒸汽進(jìn)入冷卻管后形成高速切向流動(dòng)， 汽體的熱能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能后， 溫度下降， 從而起到冷卻中壓轉(zhuǎn)子的作用。

圖1 斜置導(dǎo)葉隔離結(jié)合切向渦流冷卻技術(shù)示意圖

基于東方某超超臨界機(jī)組中壓缸， 開(kāi)展切向渦流冷卻技術(shù)的研究。 首先采用完整模型（包括通流部分流體域及轉(zhuǎn)子部分固體域）進(jìn)行共軛換熱計(jì)算， 了解流體域及轉(zhuǎn)子內(nèi)部的溫度分布情況， 以便指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)中的轉(zhuǎn)子強(qiáng)度校核。 然后對(duì)比分析簡(jiǎn)化模型（不含轉(zhuǎn)子固體域）能否滿(mǎn)足下一步研究影響冷卻效果因素的要求； 最后進(jìn)行冷卻孔的數(shù)量、 形狀和直徑等對(duì)冷卻效果影響規(guī)律的研究，最終得出結(jié)論， 以便指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)。

2 采用共軛換熱技術(shù)進(jìn)行切向渦流冷卻研究

2.1 模型介紹

本節(jié)基于完整模型 （模型包括進(jìn)汽腔室、 第1級(jí)整圈靜葉通道、 單個(gè)動(dòng)葉通道、 切向渦流冷卻通道、 冷卻腔室等流體域及轉(zhuǎn)子部分固體域）， 采用共軛換熱技術(shù)， 進(jìn)行有、 無(wú)冷卻孔對(duì)轉(zhuǎn)子內(nèi)部溫度場(chǎng)影響的對(duì)比分析。

方案 1 切向布置 4 個(gè) Φ20 mm 的冷卻孔， 見(jiàn)圖2， 方案2 無(wú)冷卻孔。 計(jì)算是基于中壓雙分流結(jié)構(gòu)， 因此兩方案均采用一半的模型進(jìn)行計(jì)算， 邊界條件設(shè)置見(jiàn)圖3， 其中轉(zhuǎn)子中間與冷卻腔室接觸的部分設(shè)為共軛換熱， 轉(zhuǎn)子其余與通流接觸的部分設(shè)定為溫度、 換熱系數(shù)邊界條件。

圖2 方案1 冷卻孔布置示意圖

圖3 兩方案邊界條件設(shè)置

2.2 計(jì)算結(jié)果

基于以上模型設(shè)置進(jìn)行了全三維共軛換熱計(jì)算， 兩方案沿軸向截面的溫度分布見(jiàn)圖4。 從圖中可以看出， 冷卻腔室內(nèi)冷卻氣體吹入的位置最低溫度約為611 ℃， 轉(zhuǎn)子表面溫度約為615 ℃， 而不帶冷卻孔的轉(zhuǎn)子表面溫度超過(guò)再熱蒸汽溫度，甚至達(dá)到了625 ℃。 帶冷卻孔的轉(zhuǎn)子表面溫度比不帶冷卻孔的有明顯降低， 主要是因?yàn)橐韵聝牲c(diǎn)：（1）冷卻汽體進(jìn)入降低了局部區(qū)域流體的溫度， 從而降低轉(zhuǎn)子表面溫度； （2）冷卻汽流進(jìn)入可使冷卻槽內(nèi)的流體流動(dòng)起來(lái)， 帶走轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)摩擦生成的熱量； 相反地， 不帶冷卻孔時(shí)， 冷卻槽內(nèi)的流體無(wú)法流動(dòng)， 轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)摩擦生成的熱量在冷卻槽內(nèi)聚集， 溫度上升， 甚至超過(guò)再熱蒸汽溫度。 從圖中還可以看出， 帶冷卻孔時(shí)， 冷卻汽流進(jìn)入的部位溫度最低， 越靠近冷卻槽出口溫度越高。

圖4 溫度場(chǎng)對(duì)比

圖5 為研究區(qū)域沿周向的溫度分布云圖， 從圖中可以看出不帶冷卻孔時(shí)轉(zhuǎn)子中心溫度約為615℃， 帶冷卻孔時(shí)轉(zhuǎn)子中心溫度約為609 ℃， 有明顯下降。 從圖5（a）可以看出帶冷卻孔時(shí)， 冷卻氣體對(duì)轉(zhuǎn)子的冷卻效果沿周向方向逐漸減弱。

圖5 冷卻腔室及轉(zhuǎn)子區(qū)域沿周向的溫度分布

表1 為兩方案級(jí)效率的對(duì)比情況， 可以看出，冷卻孔對(duì)級(jí)效率有一定影響， 主要是帶有冷卻孔的有一部分流體要通過(guò)冷卻孔流入轉(zhuǎn)子表面冷卻槽， 然后又在第1 級(jí)動(dòng)葉前匯入主流， 這部分流體對(duì)下游動(dòng)葉有一定擾動(dòng)， 導(dǎo)致級(jí)效率下降。

表1 兩方案級(jí)效率對(duì)比

綜上， 切向冷卻孔對(duì)轉(zhuǎn)子表面及內(nèi)部均有明顯的冷卻作用， 雖然對(duì)第1 級(jí)的級(jí)效率有0.4%的影響， 但對(duì)整缸效率的影響較小。 接下來(lái)需要研究不同影響因素對(duì)冷卻效果及級(jí)效率的影響規(guī)律。

3 冷卻效果影響因素的研究

3.1 簡(jiǎn)化模型驗(yàn)證

由于需要研究的影響因素較多， 導(dǎo)致計(jì)算的方案也較多， 基于完整模型進(jìn)行共軛換熱計(jì)算會(huì)花費(fèi)很多時(shí)間， 因此驗(yàn)證簡(jiǎn)化模型（不含轉(zhuǎn)子固體域）能否滿(mǎn)足接下來(lái)研究的需求。 簡(jiǎn)化模型周向帶4 個(gè) φ20 mm 冷卻孔， 邊界條件設(shè)置見(jiàn)圖 6， 轉(zhuǎn)子表面冷卻腔室與轉(zhuǎn)子的接觸面設(shè)為絕熱邊界條件。

圖6 簡(jiǎn)化模型邊界條件設(shè)置

圖7 為簡(jiǎn)化模型與完整模型溫度場(chǎng)對(duì)比情況，從圖中可以看出， 轉(zhuǎn)子表面冷卻腔室內(nèi)的溫度絕對(duì)值有少許偏差， 但分布規(guī)律基本一致。 對(duì)比不同冷卻孔參數(shù)帶來(lái)的冷卻效果變化相對(duì)值時(shí)， 基于簡(jiǎn)化模型進(jìn)行研究是可以滿(mǎn)足要求的。

圖7 簡(jiǎn)化模型與完整模型計(jì)算結(jié)果對(duì)比

3.2 冷卻孔數(shù)量研究

本節(jié)基于上述簡(jiǎn)化模型對(duì)冷卻孔數(shù)量對(duì)冷卻效果和氣動(dòng)性能的影響進(jìn)行研究， 文中設(shè)置了2個(gè)方案： 周向平均分布4 個(gè)或6 個(gè)φ20 mm 冷卻孔。 圖8 為不同冷卻孔數(shù)量時(shí)沿軸面截面溫度分布情況， 從中可以看出， 冷卻孔從4 個(gè)增加到6個(gè)， 冷卻腔室內(nèi)低溫區(qū)域變大 （見(jiàn)圖中紅色圈所示）， 溫度整體有一定下降。 冷卻孔數(shù)量增多， 整體面積增大， 進(jìn)入低溫冷卻流體增多， 對(duì)冷卻腔室的影響范圍增大。

圖8 不同冷卻孔數(shù)量時(shí)， 沿軸向截面溫度分布情況

圖9 為不同冷卻孔數(shù)量時(shí)， 沿周向溫度分布情況。 從圖中可以看出， 冷卻孔數(shù)量增加， 冷卻腔室內(nèi)溫度分布更加均勻， 冷卻孔吹出的冷卻氣體沿周向的影響范圍更廣， 從而影響到轉(zhuǎn)子表面溫度分布。 表2 為不同冷卻孔數(shù)量對(duì)級(jí)效率的影響， 可以看出冷卻孔數(shù)量從4 個(gè)增加到6 個(gè)時(shí)，級(jí)效率降低了0.09%。

圖9 不同冷卻孔數(shù)量時(shí)， 沿周向溫度分布情況

表2 不同冷卻孔數(shù)量對(duì)級(jí)效率的影響

3.3 冷卻孔形狀研究

基于文獻(xiàn)[2]中的結(jié)論， 縮放型冷卻孔冷卻效果最差， 本文僅對(duì)等直徑管和放縮管進(jìn)行了研究，其中放縮管又分階梯和過(guò)渡2 種形狀， 見(jiàn)圖10，本節(jié)計(jì)算均為周向平均分布6 個(gè)φ20 mm 冷卻孔。

圖10 冷卻管形狀

圖11 為不同形狀冷卻孔軸向截面的溫度分布， 從圖中可以看出放縮-階梯管在冷卻腔室內(nèi)的溫度明顯比另外2 種形狀要高， 而等直徑管和放縮-過(guò)渡管在冷卻腔室內(nèi)的溫度分布基本一致， 從圖12 轉(zhuǎn)子表面溫度分布也可以得出這一結(jié)論。

圖11 不同形狀冷卻孔軸向截面的溫度分布

圖12 不同形狀冷卻孔轉(zhuǎn)子表面溫度分布

統(tǒng)計(jì)3 種形狀冷卻孔內(nèi)流速變化分布情況，見(jiàn)圖13。 從圖中可以看出， 等直徑管和放縮-過(guò)渡管2 個(gè)方案冷卻孔出口的流速基本一致， 結(jié)合切向渦流冷卻的原理， 可以印證圖11 和圖12 的結(jié)論。 而放縮-階梯管在管徑變化處出現(xiàn)了很明顯的漩渦， 阻止蒸汽進(jìn)入冷卻管。 從表3 也可以看出等直徑和放縮-過(guò)渡2 種形狀的冷卻管在出口面積相同的前提下冷卻流量相同， 冷卻效果也基本一致， 而放縮-階梯管由于管內(nèi)漩渦的產(chǎn)生導(dǎo)致進(jìn)入冷卻管的蒸汽量減小， 冷卻效果變差。 另外，由于等直徑管和放縮-過(guò)渡管通過(guò)的冷卻流量相同， 其對(duì)級(jí)效率的影響也基本一致。

圖13 不同形狀冷卻孔內(nèi)流速分布

表3 不同形狀冷卻孔級(jí)效率和冷卻流量

3.4 冷卻孔直徑研究

本節(jié)對(duì)冷卻孔直徑對(duì)冷卻效果和級(jí)效率的影響展開(kāi)研究， 模型基于周向平均分布6 個(gè)等直徑冷卻管， 不同的直徑方案為 φ15 mm， φ20 mm，φ30 mm。

圖14 為不同冷卻孔直徑方案軸向截面的溫度分布， 從圖中可以看出隨著冷卻孔直徑的增加，冷卻腔室內(nèi)溫度整體下降明顯， 而且低溫區(qū)域的范圍更廣。 冷卻腔室內(nèi)的溫度會(huì)影響轉(zhuǎn)子表面的溫度分布， 如圖15 所示， 轉(zhuǎn)子表面溫度分布呈現(xiàn)同樣的規(guī)律。 φ30 mm 冷卻孔轉(zhuǎn)子表面溫度比φ15 mm 冷卻孔轉(zhuǎn)子表面溫度整體下降4~6 ℃。

圖14 不同冷卻孔直徑方案軸向截面的溫度分布

圖15 不同冷卻孔直徑方案轉(zhuǎn)子表面的溫度分布

表4 為不同冷卻孔直徑對(duì)級(jí)效率和冷卻流量的影響， 從表中可以看出， 冷卻孔直徑增加， 級(jí)效率下降， 冷卻流量增加。 冷卻效果很大程度上取決于冷卻流量大小， 冷卻流量與冷卻孔總面積成正比。

表4 不同冷卻孔直徑方案級(jí)效率和冷卻流量

通過(guò)以上研究可以發(fā)現(xiàn)， 冷卻管形狀對(duì)冷卻效果的影響較小， 但要保證冷卻管內(nèi)部不能有直徑突變， 以免產(chǎn)生漩渦， 阻止冷卻蒸汽進(jìn)入， 導(dǎo)致冷卻效果變差。 而冷卻孔數(shù)量和直徑都直接改變了冷卻孔的總面積， 從而改變冷卻流量， 對(duì)冷卻效果有明顯影響。 但增加冷卻孔數(shù)量和直徑都會(huì)導(dǎo)致級(jí)效率下降。

4 結(jié)論

本文最后基于簡(jiǎn)化模型進(jìn)行冷卻效果影響因素的研究， 并得出如下結(jié)論：

（1）周向布置的冷卻孔數(shù)量增加， 冷卻孔流量增多， 冷卻效果增強(qiáng)， 同時(shí)沿周向的溫度分布更加均勻， 但同時(shí)級(jí)效率相應(yīng)有所下降；

（2）等直徑管和放縮-過(guò)渡管在出口管徑面積相同的前提下， 冷卻效果和對(duì)氣動(dòng)性能的影響均保持一致， 但放縮-階梯管由于管內(nèi)直徑的突變，導(dǎo)致漩渦的產(chǎn)生， 使得冷卻效果明顯變差；

（3）隨著冷卻孔直徑的增加， 冷卻流量增加，冷卻效果明顯增強(qiáng)， 但同時(shí)級(jí)效率也相應(yīng)降低。

因此在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)， 要結(jié)合轉(zhuǎn)子強(qiáng)度校核工作， 綜合確定冷卻孔的具體參數(shù)。