汽轮机调节级气动性能分析和结构优化设计

汽轮机调节级气动性能分析和结构优化设计

发表时间：2018-08-31T11:31:20.380Z 来源：《防护工程》2018年第8期作者：张德坤李少军[导读] 基于300MW汽轮机注汽控制级初始设计的气动性能分析，提出了顺流结构优化设计方案。在设计和变工况条件下，分析比较了反流初始设计和顺游优化情况下喷嘴配汽调节级的气动性能。张德坤李少军

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摘要：喷嘴配汽调节级具备焓降大，反动度低的设计特点，适用于大功率冲击式汽轮机高压缸。本文首先综述了汽轮机调节级气动性能和气流激振的研究进展。然后，基于300MW汽轮机注汽控制级初始设计的气动性能分析，提出了顺流结构优化设计方案。在设计和变工况条件下，分析比较了反流初始设计和顺游优化情况下喷嘴配汽调节级的气动性能。关键词：汽轮机；喷嘴配汽调节级；气动性能；优化设计前言

随着环保要求的不断提高，对大功率汽轮机的气动设计要求越来越高。特别是高压蒸汽轮机和低压排气结构的气动设计和优化对提高机组的气动效率和运行经济性有着重要的作用。由于汽轮机的结构和运行方式，汽轮机的进汽流量具有非轴对称和非周期特性，使高压进气结构的气动效率低。因此，正确认识和掌握高压涡轮结构的三维流场特性，尽可能提高高压进气道结构的气动效率，提高高压缸乃至整个机组的性能是非常重要的。

1汽轮机喷嘴配汽调节级的研究

对汽轮机调节级喷嘴的研究主要集中在部分进汽度工况下调节级的气动性能研究、喷嘴配汽调节级不同运行方式对机组经济性影响和最佳运行方式研究、喷嘴配汽调节级气流激振和对轴系稳定性影响的研究 3 个方面。目前大多数研究集中在喷嘴配汽调节级部分进汽时的流场形态和气动性能分析方面。

研究了部分进水工况下涡轮级的非定常流动特性。结果揭示了非轴对称和非周期性对透平叶栅在部分进口条件下的非定常流动特性的影响。试验研究了部分进气蒸汽对四级涡轮气动性能的影响，特别是对第一级涡轮级气动性能的影响。实验测量了多级涡轮进气压力、转速和温度的不均匀性，主要原因是调节级20%的进气段关闭。结果表明，多级透平进口气流不均匀性明显，第三级后流动基本一致。试验研究了低反动度涡轮叶片2级轴流涡轮在不同进口蒸汽水平下的气动性能和效率特性。对部分进口蒸汽条件下轴流式汽轮机的非定常流动特性进行了数值研究。在不考虑进气调节阀的情况下，研究了部分进气对2级涡轮气动性能的影响。数值模拟结果表明，一级动叶片不进入蒸汽弧时，其非定常力发生很大变化。同时，当移动叶片不进入蒸汽弧时，前缘有很大的压力降。

对某电厂600MW汽轮机顺序阀开启方式进行了研究，对喷嘴匹配蒸汽调节阶段的经济性和运行方式的最佳运行方式进行了研究。在调节级热力计算和有限元强度校核的基础上，将原来的顺序阀开法改为对角开孔顺序阀，并通过实验对重叠度进行了优化。改进后的水轮机运行效果好，经济效益显著。轴承瓦温度、轴振动、上下缸温差等主要性能均良好，机组运行安全稳定，流量特性良好，机组运行稳定，能满足电网一次调频的要求。研究了大功率汽轮机喷嘴的运行方式和气动效率，给出了进气压力损失和内部效率的综合影响因素。调节级总效率按高低为四阀、三阀、二阀滑压、顺序阀和单阀顺序。研究了300MW汽轮机组进气方式对可调叶顶间隙蒸汽激振力的影响及运行方式的稳定性。研究结果表明，进气方式对空气激振力有很大的影响。在一定范围内，空气压力随偏心距的变化呈线性变化。动态气动力的研究结果表明，气动刚度不仅产生交叉刚度项，而且产生直接刚度项。良好的设计和运行方式能降低气流的激振力，有利于机组的安全运行。

2喷嘴配汽调节级气动优化设计

采用全三维数值方法对300MW汽轮机喷嘴配汽调节级的高压进汽结构进行了优化设计。其目的是降低制造和安装成本，改善设计和可变条件下的气动性能。主要内容是将高压进气喷管的气动性能与初始设计结构和流动优化设计结构进行比较，优化喷嘴室过渡段并进行三维数值验证。

图1 反流初始设计的调节级段结构图

图1和图2分别给出了300MW汽轮机喷嘴配汽调节级计算区域的三维结构图和部分计算网格图。从图上可以看出，计算区域由三个部分组成：6个阀室、126个静叶片、102个动叶片和套筒结构。蒸汽流从6个管道的入口流入室内，通过静态叶片的膨胀，速度增加，工作进入运动叶片。然后，通过套筒引导，引入压力级继续做功。

图2 反流初始设计结构的模型和计算网格图

顺流结构也可分为3个部分：6个阀室，126只静叶片，102只动叶片，以及动叶片出口延伸段。原有结构的叶栅组的型线与反流结构相同。顺流优化设计原有结构的优化设计与反流结构相同。腔室和出口延伸段计算区域采用非结构网格，近壁面边界层为结构化网格加密。计算节点总数为966万个，每个节点的节点数分别为腔室区164万、叶栅组755万、出口延伸段147万。网格的质量与反流结构相同。

随着阀门开度的减小，顺流设计原结构的余速度大于反流初始设计结构，导致余速损失较大。反流初始设计结构的出口余速度对变工况不敏感。因此，优化设计应以顺流设计原始结构为基础，集中在腔室的出口的延伸段型线光滑上。根据分析，对顺流优化设计原设计基础上，对顺流结构进行了三次改进设计。改进后的结构Ⅰ减少了顺流原形角落，使过渡平稳。改进后的结构II进一步平滑了管道和腔室过渡，增加了腔室与喷嘴之间的距离；改进后的结构III在II的基础上改变了室内弯转处半径。

图3是顺流结构原型的三维结构图和三个改进方案。图4给出了4种工况下高压进气结构在三种情况下的静压分布和三维流线图。从图4可以看出，在不同的阀门开启条件下，由于调节级的焓降较大，部分蒸汽对叶栅的流动有较大的影响。6个阀门全开，5个阀门全开，叶栅的周向速度分量不大，轴向流动是主要的比例。然而，在4阀全开和3阀全开的情况下，由于叶栅的下部流动，蒸汽流动的流量是强混合的，而蒸汽流动的周向速度分量的比例增大。流量损失相应增加。从图4中的流线图可以看出，三者在进气管和喷嘴组之间有很好的过渡，有效地提高了III型气动效率，减少了流动损失。

图3 顺流结构原型和提出的三种改进方案

图4 顺流优化结构设计Ⅲ调节级不同工况下静压等值线云图和流线图

结语：

在顺流优化设计原型分析的基础上，提出了III型顺流结构的优化设计，并对顺流优化设计的三级结构进行了详细研究。结果表明，6阀全开的情况下，III优化设计可与流原型相比提高1.2%的效率，而优化设计的三效率高于0.56%的原型在5阀完全打开，并在两种结构的性能