某背壓機組內外缸夾層結構設計與氣動損失分析

張軍輝 高驥 張苗 王曉斐 郭則傳

摘 要：針對某工業背壓式汽輪機小焓降、大流量的特點，為了優化布置，進一步提高氣道性能，開發了一種內外缸夾層的回流結構。對該夾層模型進行了全尺度數值模擬，并給出了夾層氣動損失的量化趨勢，為機組設計者與結構優化設計提供了便利。

關鍵詞：背壓式汽輪機;汽缸夾層;氣動損失;數值分析

中圖分類號：TK262? 文獻標志碼：A? 文章編號：1671-0797（2022）13-0038-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.13.011

0??? 引言

工業汽輪機除應用于電站、船舶以外，還可驅動各類泵、鼓風機、壓縮機等，廣泛應用于石化煉油、化工、冶金、制糖、建材等國民經濟的各個領域[1]。提高工業汽輪機效率的途徑包括通流部分的提效和氣流通道的優化。近些年來，許多工程師及科研工作者在提高通流部分的效率上做了很多工作[2-4]。相比于通流部分的提效，氣流通道部分的研究和改進不是很多，而工業汽輪機的進氣通道相比電站汽輪機在結構上更緊湊，氣流更紊亂，流動損失更大，可改進空間更大。通過對其復雜流場的分析進而指導氣流通道結構的改進，可以減小氣流通道的壓損和入口氣流的不均勻度，從而提高整機的效率。在小焓降、大流量的背壓式汽輪機中，氣流通道改進的收效將更加顯著[5]。

1??? 結構設計與分析模型

圖1為本次所設計的夾層氣動結構半剖面圖。圖2為夾層氣動模型邊界條件示意圖，其中，0-0截面是夾層進口，即內缸持環出口，它與回流前動葉出口相接;1-1截面是夾層出口，即導葉進口邊界，后面跟著一級導葉，該面為夾層模型與葉片模型的交界面;2-2截面是導葉出口邊界，也是計算出口邊界。沿著流向，蒸汽方向經歷了180°的變化，依次經過截面0-0、截面N（N=1，2，3，4，5）、截面1-1、截面2-2。其中，0-0截面的夾層進口底徑為D01=667 mm，進口頂徑為D02=847.8 mm，進口面積S0=π/4×（D012-D022）;1-1截面導葉進口底徑為D11=670 mm，進口頂徑為D12=815.4 mm。

2??? 氣動模型與數值計算方法

本次研究采用ANSYS CFX對“夾層+導葉”氣動模型進行三維分析，共計算了6個工況，如表1所示，表中絕對氣流角α0-0為動葉出口絕對速度C0-0與其圓周速度U的夾角。

首先采用Solidworks對實際結構進行幾何清理，再采用meshing對夾層模型進行網格劃分，該部分網格為四面體網格，設置合適的第一層網格厚度，總網格數為1 625萬;采用Turbogrid對導葉模型進行網格劃分，該部分網格為六面體網格，并設置合適的第一層網格厚度，導葉共68只，其總網格數約為420萬，如圖3所示。給定夾層進口面總壓P0-0，tot、總焓H0-0，tot，給定流動方向α0-0，給定導葉出口面流量M2-2;根據右手準則，轉子轉向為右旋，給定動葉出口底徑壁面旋轉速度3 000 r/min，并設置一定的出口延長段，除在夾層出口與導葉進口處建立交界面外，其余面設置為絕熱無滑移壁面。整個氣動模型的示意圖如圖4所示。計算工質選用IAPWS-97中的過熱蒸汽物性，湍流模型選用k-epsilon雙方程模型。這里需要注意的是，夾層進口并非是動葉出口，而是內缸出口，為了能與熱力分析程序計算的動葉出口速度做比較，在動葉出口絕對氣流角α0-0不變的假設下，需要就S0與動葉出口環形面積進行一定的折算。

3??? 結果對比

在分析中需要用到以下公式：

總壓損失=（P0-0，tot-P1-1，tot）/P0-0，tot×100%

靜壓損失=（P0-0，sta-P1-1，sta）/P0-0，sta×100%或

（P0-0，sta-PN，sta）/P0-0，sta×100%

其中，下標tot代表總壓，sta代表靜壓，N代表不同截面位置。

圖5為夾層進口動能與總壓壓損之間的關系，隨著流量的減小，根據速度三角形關系，夾層進口的絕對速度在周向上的分量CU方向從與圓周速度U相反慢慢變成同向，進口動能在0.7～0.8 kJ/kg附近出現拐點，總壓損失呈現出減小趨勢。圖6為導葉進口動能與總壓壓損之間的關系，隨著流量的增大，總壓損失單調遞增。

為保證工程設計的可靠性，在數值計算靜壓壓損的基礎上，給定1.1倍的設計裕量（等于5%的計算偏差裕量×5%的形狀偏差裕量）。圖7給出了折算后的動葉出口動能（C0-02/2 000）與實際靜壓壓損之間的關系，圖8給出了動葉出口流量系數（C0-0Z/Urms，C0-0Z為0-0截面軸向速度，Urms為動葉出口中徑處圓周速度）與導葉進口動能（C1-12/2 000）、實際靜壓壓損之間的關系，隨著流量的增大，動葉流量系數遞增，夾層結構對應的靜壓損失以及導葉的進口動能同樣線性增加。

圖9為不同工況下不同截面N處的實際靜壓損失變化，其中0截面與0-0位置一致，6截面與1-1截面位置一致。從圖中可以看出，case1～case4這四個工況在0—1這段結構的損失增加較為明顯，case5在0—1段結構的損失增加幅度較小，case6在0—1段結構的損失值是負值，說明這部分產生了靜壓恢復效果;所有工況在1—4段結構的損失變化均較為平緩，呈現出先減小后增大的規律，其中case6在1—4段結構的損失均為負值;所有工況在4—6段的損失增加均非常明顯，且流量越大，增加幅度越大，這也充分說明了4—6段結構的優化空間較大，是減小損失、提高能效應重點關注的部分。

4??? 結語

本文給出了一種背壓式汽輪機內外缸夾層結構，并對該結構進行了宏觀的氣動損失分析。分析結果表明，夾層結構的損失與導葉進口動能、動葉出口動能存在一定的關系，其靜壓損失在進口段與出口段的分布較為集中。本次分析為機組設計者進行參數選取提供了依據，也為工程設計與結構優化帶來了便利。

[參考文獻]

[1] 侯曼西.工業汽輪機[M].重慶：重慶大學出版社，1995.

[2] SCARLIN B.Advanced steam turbine technology for improved operating efficiency[J].ABB Review，1996（8）：15-24.

[3] 何阿平，彭澤瑛.上汽-西門子型百萬千瓦超超臨界汽輪機[J].熱力透平，2006，35（1）：1-7.

[4] 藍吉兵，丁旭東，孔建強，等.工業汽輪機高效壓力級葉型優化與應用[J].熱力透平，2018，47（4）：264-267.

[5] 黎旭.工業汽輪機進汽通道的氣動性能改進研究[D].杭州：浙江大學，2020.

收稿日期：2022-04-11

作者簡介：張軍輝（1982—），男，浙江東陽人，碩士，高級工程師，長期從事透平機械技術研發工作。