汽轮机低压进汽结构气动性能分析与优化设计
发表时间：
2019-12-23T10:00:09.187Z 来源：《电力设备》2019年第17期 作者： 赵洪羽
[导读] 摘要：汽轮机是将热能转化为机械能的关键动力设备，其机组效率直接影响系统的能量转换效率Ⅲ。
（哈尔滨汽轮机厂有限责任公司 黑龙江哈尔滨 150046）
摘要：汽轮机是将热能转化为机械能的关键动力设备，其机组效率直接影响系统的能量转换效率Ⅲ。低压缸的功率占整机功率的三分
之一左右，故其效率也直接影响汽轮机机组效率。尽管低压缸叶片型线和叶片通道的优化设计已经相对完善，但目前低压缸的第
1级效率只
有
65％左右，远低于其他级的效率，导致整缸性能的大幅降低。基于此，本文主要对汽轮机低压进汽结构气动性能与优化设计进行分析探
讨。
关键词：汽轮机；低压进汽结构；气动性能；优化设计
1
、数值方法
1.1
计算模型
低压进汽结构由蒸汽阀、进汽弯管和蜗壳组成，在耦合第一级叶片的基础上，两部分共同构成了本文所采用的计算模型，如图1所示。
蒸汽从进口进入蒸汽阀，再流过弯管后通过蜗壳，最后在叶栅中膨胀做功后从出口排出。考虑到第一级叶片与进汽蜗壳间的相互影响，本
文采用整圈叶栅进行计算。静叶与动叶的数目分别为
42和146。整个进汽结构采用了轴对称布置的方式，且计算时的进口和出口都进行了相
应的延伸来消除回流的不利影响。
图 1 低压进汽结构模型
在计算模型经过光顺处理后，对图1所示的进汽结构进行了网格划分。进汽结构的网格由两部分组成：采用商业软件ANSYS-ICEM对无
叶通道进行非结构化网格生成，采用
NUMECA-AU-TOGRID对叶栅通道进行了六面体结构化网格生成。图2展示了蜗壳与弯管及其连接处的
网格，在蜗壳出口与第一级静叶的交接面处网格布置较为致密。在曲率半径较小处也控制网格尺度与结构相匹配。考虑到边界层内速度梯
度较大，对近壁面采用三棱柱网格进行了加密处理，为了准确捕捉叶片表面的边界层和分离流动，对叶片表面均进行了加密处理。进汽结
构整体网格的总节点数和单元数分别为
1700万和2200万左右。
图 3 低压进汽结构的 Y+分布
采用商业软件ANSYS-CFX对低压进汽结构进行数值模拟，该求解器基于有限体积法求解三维定常Reynolds-AveragedNavier-Stokes方
程，具有二阶离散精度，同时采用了标准
k-ε两方程湍流模型。计算采用的工质为可凝结水蒸汽Steam5V；进口给定总压和总焓为1.565MPa
和
3214.1kJ/kg，出口给定静压为1.27MPa；固体壁面采用绝热无滑移边界条件。在各项残差收敛到10－5时认为计算收敛，通过调整壁面网
格分布来达到湍流模型对
Y+的要求，本文计算得到的Y+分布如图3所示，满足标准k-ε湍流模型的要求。通过与实验流量对比，本文数值计
算的流量相对误差为
0.022%，进一步证实了本文所采用的数值方法的有效性和准确性。
2
、结果与讨论
2.1
低压进汽结构的优化设计
在对低压进汽结构进行优化设计之前，先对原始结构进行通流分析。进汽弯管与蜗壳内流线分布，整体分布成轴对称性，在弯管内流
线分布较为均匀且速度大小基本相等；在蜗壳内流体从蜗壳下部沿着壁面流到蜗壳上部，并且速度分布呈现上部速度低而下部速度高的特
点。但是在弯管与蜗壳连接处有两个滞止涡，这是从弯管流出的部分流体撞击到蜗壳壁面所造成的。这两个滞止涡会减小蜗壳内流体的通
过面积，阻碍流动并增加一定的压力损失。
原始进汽结构的弯管与蜗壳连接不仅会直接影响蜗壳内的流动，还会间接影响蜗壳第一级静叶的进汽均匀度和汽流角。为了定量描述
这种间接的影响，给出了叶栅通道内三个速度分量（径向速度
RV、轴向速度AV和周向速度TV）和汽流角α的定义，切向速度以逆时针方向
为正。选取蜗壳与静叶域的交接面上的速度分量和汽流角作为目标函数，因为位置
P3既能反映静叶的进口汽流角也能反映蜗壳与第一级的
相互作用。
蜗壳与静叶交接面P3上的轴向速度分量分布，面P3下部轴向速度较大而上部轴向速度较小；从进汽弯管出来的流体经过蜗壳收缩段加
速导致下部轴向速度大，且图中虚线的指向正是进汽弯管的中心线方向。面
P3上的径向速度分布，其值相对于轴向速度较小且周向分布较
为均匀。面
P3上的周向速度分布，左右两侧速度大小相同方向相反，这与蜗壳的对称性有关。面P3上的汽流角分布，与周向速度分布的趋
势相同，但是汽流角的跨度较大，这会造成第一级静叶的周向进汽攻角的跨度也较大，不利于叶栅通道中的汽流膨胀做功。
为了进一步研究汽流角沿周向分布，选取叶栅通道10%、30%、50%、70%和90%等五个径向位置作为参考位置。五个径向位置的汽流
角周向分布，随着叶高的增大，汽流角逐渐减小；最大和最小汽流角分布在蜗壳的左右两侧，与汽流角分布云图一致。除了汽流角外，还
需要考虑进汽不均匀度，并给出其定义：通过蜗壳与静叶域交接面
P3上的流量与实验流量的相对误差。蜗壳与静叶交接面上的进汽不均匀
度分布，其呈现下部进汽多而上部进汽少的特点，与轴向速度分布的趋势一致。因此，从优化目标的角度看，对进汽弯管与蜗壳的改进主
要是减小进汽攻角与进汽不均匀度。
图 4 不同偏心度的蒸汽阀结构
基于遗传算法的基本思想，每次保留对进汽攻角和进汽均匀度有利的几何调整，淘汰对优化目标不利的几何调整。经过若干次几何改
进，给出了优化过程中产生的几个典型弯管与蜗壳连接结构，相对于原始结构，第一次优化时将弯管改为接近垂直方向，但弯管与蜗壳连
接面积减少；第二次优化结构
OP2在不改变弯管出流角度的基础上，增加了其与蜗壳连接处的出流面积；对于第三次优化结构OP3，既增大
了弯管出流倾角，也增加了其出流面积。
2.2
蒸汽阀对低压进汽结构气动性能的影响
在优化的弯管和蜗壳结构OP3的基础上，研究了蒸汽阀的偏心度对低压进汽结构气动性能的影响。图4给出了三种不同偏心度的蒸汽阀
结构，其中（
a）为阀芯所处位置的截面，（b）、（c）和（d）分别为偏心度为0mm、20mm和40mm的蒸汽阀结构示意图。不同的偏心度
不仅会改变阀门喉口处的通流面积，还会改变阀芯的类圆柱绕流涡脱落频率，对阀门的振动产生影响。
对于后者的研究将会体现在后续的工作中，本文主要讨论偏心度对蒸汽阀气动性能的影响。为了考查不同蒸汽阀偏心度对总压损失的
影响，定义总压损失系数为准＝
1－Px／Pin，其中Pin为进口质量流量平均总压，Px为指定截面位置（图1中P1、P2和P3）处的质量流量平
均总压。不同截面位置总压损失系数随偏心度的变化，随着偏心度的增大，总压损失系数逐渐减小。从图中还可以看出，不仅阀门会带来
一定的总压损失，进汽弯管和蜗壳也会产生总压损失，但大部分总压损失仍是蒸汽阀造成的。
进一步分析不同偏心度下蒸汽阀的气动性能，随着偏心度的增加，蒸汽阀中的最大速度和平均速度都相应地减小。这是因为偏心度的
增大也会增加流入阀柱内的通流面积。在偏心度为
0mm和20mm的工况下，阀柱内的流线呈螺旋线式，这会导致相同流量下流体与阀柱的摩
擦损失增加。在偏心度为
40mm的工况下，阀柱内的流线呈直线状，有利于通流并减小了总压损失。
3
、结论
本文基于三维RANS方程数值研究了国内某太阳能光热发电汽轮机低压进汽结构的气动性能。在对原始低压进汽结构通流分析的基础
上，对弯管与蜗壳进行了优化设计，分析了优化结构改善汽流组织的机理；对比分析了不同偏心度的蒸汽阀结构对低压进汽结构的气动性
能的影响，获得结论如下：
（1）结构的对称性决定了流场的对称性，原始低压进汽结构的静叶进汽角跨度很大，且最大值分布在蜗壳的左右两侧；
（2）增大进汽弯管的出流面积和倾角有利于减小进汽攻角和进汽不均匀度，优化的低压进汽结构OP3很大程度上改善了叶栅通道进汽
的汽流组织；
（3）随着偏心度的增加，阀芯与阀柱间的通流面积增大，有利于汽流在阀柱内的通流并降低总压损失。
参考文献：
[1}
杨建道．低压汽轮机末级与排汽缸耦合气动性能研究和优化设计[D]．西安：西安交通大学，2016
[2]
刘伟，忻建华，叶春．汽轮机低压进汽结构对级效率的影响探究[J]．汽轮机技术，2015（4）：267—269