汽轮机调节级喷嘴组气动优化设计
收稿日期：２０１５－０１－１３
作者简介：陈远东（１９８２－），男，湖北广水人，工程师，硕士，研究方向为叶轮机气体动力学。
汽轮机调节级喷嘴组气动优化设计
陈远东
（北京龙威发电技术有限公司，北京１０００４４）
摘要：采用叶轮机械优化设计平台ＦＩＮＥ／Ｄｅｓｉｇｎ３Ｄ对调节级喷嘴组汽道进行全三维气动性能优化设计，在保证工
作点不发生偏离的前提下，提高其等熵效率。经过分析，优化后喷嘴组叶片由于采用加载叶型，有效的抑制叶片表面的附面层厚度，降低叶型损失；喷嘴组外端壁型线更加平缓，端壁损失和二次流损失得到了有效地抑制。额定工况下，调节级等熵效率提高了１．８％，并且在其它工况下调节级气动性能都有明显提高。关键词：调节级喷嘴组；气动性能；优化设计
分类号：ＴＫ２６２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００１－５８８４（２０１５）０４－０２５１－０４
ＡｅｒｏｄｙｎａｍｉｃＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎＤｅｓｉｇｎｏｆＧｏｖｅｒｎｉｎｇＳｔａｇｅＮｏｚｚｌｅｆｏｒＳｔｅａｍＴｕｒｂｉｎｅ
ＣＨＥＮＹｕａｎ－ｄｏｎｇ
（ＢｅｉｊｉｎｇＬｏｎｇｗｅｉＰｏｗｅｒＧｅｎｅｒａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｏｍｐａｎｙＬｉｍｉｔｅｄ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００４４，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＵｓｉｎｇｔｈｅｉｍｐｅｌｌｅｒｍｅｃｈａｎｉｃａｌｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎｐｌａｔｆｏｒｍＦＩＮＥ／Ｄｅｓｉｇｎ３Ｄ，ｏｐｔｉｍｉｚｅｄｔｈｅｗｈｏｌｅｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｇｏｖｅｒｎｉｎｇｓｔａｇｅｎｏｚｚｌｅｓｔｅａｍｐａｓｓａｇｅｏｆｓｔｅａｍｔｕｒｂｉｎｅ．Ｕｎｄｅｒｔｈｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｏｆｅｎｓｕｒｉｎｇｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｐｏｉｎｔｎｏｔｔｏｄｅｆｌｅｃｔ，ｂｏｏｓｔｉｔｓｉｓｅｎｔｒｏｐｉｃｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ．Ｂｅｉｎｇｕｓｅｄｔｈｅｌｏａｄｅｄｐｒｏｆｉｌｅｉｎｏｐｔｉｍｉｚｅｄｂｌａｄｅ，ｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｉｎｄｉｃａｔｅｄｔｈａｔｉｔｒｅｄｕｃｅｄｔｈｅｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｆｂｏｕｎｄａｒｙｌａｙｅｒｏｆｔｈｅｂｌａｄｅｓｕｒｆａｃｅａｎｄｔｈｅｐｒｏｆｉｌｅｌｏｓｓ，ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｔｈｅｏｕｔｓｉｄｅｗａｌｌｌｉｎｅｓｏｆｎｏｚｚｌｅｗｉｌｌｂｅｍｏｒｅｓｍｏｏｔｈ，ａｎｄｔｈｅｅｎｄｗａｌｌｌｏｓｓａｎｄｔｈｅｓｅｃｏｎｄａｒｙｆｌｏｗｌｏｓｓｈａｓｂｅｅｎｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｓｕｐｐｒｅｓｓｅｄ．Ｕｎｄｅｒｒａｔｅｄｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ｇｏｖｅｒｎｉｎｇｓｔａｇｅｉｓｅｎｔｒｏｐｉｃｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｗｉｌｌｂｅｂｏｏｓｔｅｄｂｙ１．８％，ａｎｄｕｎｄｅｒｏｔｈｅｒｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ｔｈｅａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｇｏｖｅｒｎｉｎｇｓｔａｇｅｈａｓｉｍｐｒｏｖｅｄｏｂｖｉｏｕｓｌｙ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｇｏｖｅｒｎｉｎｇｓｔａｇｅｎｏｚｚｌｅ；ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ；ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎ
０ 前 言
电厂汽轮机调节级喷嘴组叶片一般展弦比较小，存在大
量的叶型损失和端壁损失，叶型损失和端壁损失是调节级重大损失源。不改变调节级喷嘴组部分进汽度，对调节级喷嘴组叶片进行气动优化设计，降低其叶型损失及端壁损失，具有重要意义。
叶片气动优化设计技术一直是国内外叶轮机械气动热力学领域研究的重点，结合优化算法和ＣＦＤ方法对叶片进行气动优化是当前研究的热点［１，２］
。Ｄｕｌｉｋｒａｖｉｃｈ应用进化算法结合ＣＦＤ技术进行了透平通流部分和透平叶片的优化设计［３］
；Ｏｙａｍａ利用实数型遗传算法结合Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程求解技术，以熵损失最小为目标函数，对轴流透平叶片进行
的优化设计，设计结果得到了很好的验证［４］
；希腊国立Ａｔｈｅｎ大学叶轮机械研究所应用遗传算法与ＣＦＤ结合进行了叶轮机械叶栅的三维气动设计优化，在优化过程中还结合人工神经网络技术对设计叶栅进行近似评价，取得了很好的设计结
果，同时设计周期缩短很多［５］
。
本文首先对喷嘴组叶片数进行优化，然后采用ＮＵＭＥＣＡ国际公司的叶轮机械优化设计平台ＦＩＮＥ／Ｄｅｓｉｇｎ３Ｄ对调节
级喷嘴组汽道以及叶片型线进行全三维气动性能优化设计，以达到提高汽轮机调节级气动性能的目的。
１ 调节级喷嘴组叶片数优化
文献［６］指出，叶栅的相对节距是影响叶型损失的一个
主要参数，而且存在一个最佳节距，在此最佳节距下，叶型损失系数达到最小值。实验表明，当叶栅节距小于最佳节距时，叶型压力面和吸力面上的附面层厚度在流道中所占的比重增加，而势流区则相对减小，因而摩擦损失系数和尾迹损失系数增加。对于调节级为冲动式的叶栅，其最佳节距的变化范围为珋ｔｏｐｔ＝０．５～０．７，如图１所示。表１所示，在不改变调节级喷嘴组部分进气度ｅ的前提下，减少喷嘴组叶片数目，调整相对节距，把叶栅相对节距尽量调整到比较好的范围内。本调节级喷嘴组叶片原始相对节距珋ｔ＝０．３４，远低于最佳节距，将喷嘴组的汽道数调整为８０个，全周当量叶片数调整为９２个，此时相对节距珋ｔ＝０．５１，处于工程推荐较好范围之内。由于喷嘴组叶片数减少，相对节距会增加，出汽角度会增大，同时喷嘴组通流面积会增大。为保证额定工况下调节通流面积及转子进汽角度等工作条件不变，将静叶的安装角降低２°，将外端壁型线向内端壁方向平移１ｍｍ。
第５７卷第４期汽 轮 机 技 术Ｖｏｌ．５７Ｎｏ．４
２０１５年８月
ＴＵＲＢＩＮＥＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
Ａｕｇ．２０１５