某機組中壓缸進汽室結構的優化

王娟麗， 錢禹龍， 鐘主海， 王姍， 王松， 王鑫

（東方電氣集團東方汽輪機有限公司， 四川 德陽， 618000）

1 前言

隨著汽輪機技術的不斷進步， 汽輪機機組的經濟性越來越受到重視， 以往關注點在葉型和葉片的優化設計， 目前汽輪機進汽室的優化也越來越受到重視[1-2]。為優化某機組中壓進汽室， 對比分析了軸向進汽、 切向進汽與不完全切向進汽3 種進汽室的性能以及對首級性能的影響。

2 模型及網格

為了評估切向進汽性能及其對首級的影響，計算模型是進汽室帶首級整圈靜葉， 單只動葉。 3種不同的進汽室模型如圖1（a～c）所示， 進汽室網格數約 444 萬個。 圖 1（d）為計算域模型（以軸向進汽室為例）。 3 種計算模型的首級除了靜葉葉型不同外， 其他參數均相同， 首級均為斜置靜葉， 軸向進汽首級靜葉為GHZ 葉型， 切向進汽與不完全切向進汽首級靜葉都使用謝崗（D150S）中壓首級切向進汽葉型，動葉統一使用謝崗（D150S）的中壓首級動葉。

圖1 算例說明

3 邊界條件

計算邊界條件來自熱力數據， 具體邊界條件見表1。

表1 邊界條件

4 計算結果

3 種進汽室結構計算模型總體性能對比見表2， 可以看出切向進汽模型性能最好， 其進汽室總壓損失最小， 首級效率最高， 不完全切向進汽級效率次之。 軸向進汽比級效率比切向進汽小0.4%。

表2 計算總體性能對比

進汽室模型計算結果如圖2 所示。 從三維流線圖可以看出， 切向進汽室流場穩定， 流線分布均勻， 而軸向進汽室有局部流線分離。 從出口截面壓力分布圖看出， 切向進汽室出口截面壓力分布最均勻， 軸向進汽室出口截面壓力分布均勻性最差。

圖2 不同進汽室流線圖與出口截面參數分布

圖3 為3 種進汽室模型根、 中、 頂出口角分布， 可以看出， 切向進汽室出口角最均勻， 變化幅度只有10°左右， 軸向進汽室出口角變化很大。進汽室出口參數分布的均勻性， 決定首級的入口條件， 影響首級靜葉入口攻角情況， 影響首級效率。 切向進汽室出口截面壓力分布、 出口角分布均勻， 首級效率也最高。

圖3 不同進汽室根、 中、 頂截面出口角分布

圖4 為不同模型首級靜葉損失、 動葉損失、首級效率隨葉高分布對比圖， 可以看出切向進汽、不完全切向進汽模型靜葉損失明顯低于軸向進汽模型， 首級效率明顯高于軸向進汽模型。 圖5 為首級靜葉截面流線分布， 可見軸向進汽模型首級靜葉入口有明顯攻角， 靜葉入口氣流打在內弧側到外弧側變化， 這是進汽室出口角分布不均勻導致的。 切向進汽模型的首級靜葉流線分布均勻，攻角小。

圖4 級特性沿葉高分布對比

圖5 不同模型首級靜葉B2B 截面流線圖

5 結論

本文對某機組中壓進汽進行分析， 對比了軸向進汽， 切向進汽， 不完全切向進汽3 種進汽模型的性能以及對首級性能的影響， 得到以下結論：

（1）切向進汽總壓損失最小為0.083%。

（2）切向進汽模型首級效率與不完全切向進汽首級效率接近， 都比軸向進汽模型首級效率高0.4%。 計算域效率切向進汽最高約93.33%， 軸向進汽最小約92.47%。

（3）切向進汽與不完全切向進汽出口截面氣流角接近且比較均勻， 而軸向進汽的出口角變化幅度最高達180°。

（4）經過對結構論證， 完全切向進汽結構， 進汽中心距離汽輪機中心距離較遠， 根據以往項目經驗， 汽缸穩定性計算可能無法計算通過， 與完全切向進汽結構相比， 不完全切向進汽中心距汽輪機中心較近， 且效率與完全切向進汽結構相近，故選擇了不完全切向進汽結構。