汽轮机低压进汽结构气动性能分析与优化设计

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。

要是减小进汽攻角与进汽不均匀度。