带进汽腔体的整圈斜置静叶的数值研究

杨 建, 竺晓程, 杜朝辉

(上海交通大学 机械与动力工程学院,上海 200240)

目前,我国发电量的80%来源于火力发电.基于对环境、能源前景以及发电效率等因素的综合考虑,国际能源界普遍认为:超超临界燃煤火力发电将是今后世界能源工业的主要发展方向之一[1].上海汽轮机有限公司引进西门子的超超临界汽轮机技术并结合自身的设计体系,在消化吸收引进技术的基础上,建立了超超临界汽轮机的自主设计体系[2].

在某引进的超超临界汽轮机组中,为了使机组的整体结构更加紧凑合理,上海汽轮机有限公司在高、中压缸第一级中配置了一种独特的斜置静叶[3].笔者认为:在分析中压缸进汽腔体引导流动工质进入通流部分时,不仅要考虑流动损失的大小,而且还要考虑进入通流区时气流周向的对称性.为此,本文对中压缸进汽腔体和斜置静叶的流动特征分别进行了数值研究[4-5],发现中压缸进汽腔体出口存在明显的周向不对称性,因此需分析该不对称性对下游斜置静叶流动的影响.为此,对中压缸进汽腔体和整圈斜置静叶进行了数值模拟,研究了进汽腔体的周向不对称性对下游叶片流动的影响,为叶片设计和安装提供了基础数据,并进一步提高了通流设计水平.

1 数值方法

本文研究的中压缸为双流型.图1为中压缸进汽腔体和斜置静叶的示意图.从图1可知:腔体出口为带整圈的斜置静叶.为了深入研究进汽不对称性对下游叶片的影响,在腔体出口周向沿45°选取8个叶片进行详细分析:A 1为进汽腔体出口处的圆周面,表示在进入叶片前腔体内的流动角分布;B1为静叶后的一个环面,表示气流通过叶片后的恢复情况.

图1 中压缸进汽腔体和斜置静叶示意图Fig.1 IP inlet annlus and skew stator

通过Icem软件,采用六面体网格生成腔体的整体网格.为了保证贴体网格质量,在壁面处添加棱柱网格,对叶片则利用Turbo-Grid软件生成结构化网格.对腔体和叶片的交界面采用GGI连接,并利用CFX求解器对带SST湍流模型的雷诺时均N-S方程进行计算,进口给定流量和静温,出口给定背压.采用基于IAPWS-IF97数据库的蒸汽作为流动工质[6],计算的收敛标准为最大残差小于1×10-3,能基本满足工程应用的需要.

2 结果与分析

2.1 进汽腔内的流动

图2为中压缸进汽腔中分面的压力云图.从图2可了解到进汽腔体的内部流动特征以及流动的周向不对称性.在进气管道和腔体相连的弯管附近,类似弯管流动,R2的曲率导致速度增大、压力降低,在拐角处存在低压区.在进气腔体出口下方存在2个低压区,这是由于绕旋转轴的周向速度分量在R1曲率下产生的离心力造成的.由于R1和R2曲率导致的离心力梯度不同,因此在气腔的内外壁面出现压力梯度的交替情况.在腔体的顶部和底部存在高压区域,根据伯努利公式,对应的区域均为低速区.在该区域存在多个旋涡,在文献[3]中有详细的描述.

图2 进气腔中分面上的压力云图Fig.2 Pressure contour on association plane of mlet annlus

图3为圆周面A 1平面上的周向流动角度分布,该图更直观地显示出进汽腔出口流动的周向不对称性.从图3可知:周向流动角度由周向速度分量和径向速度分量决定,可表征偏离轴向流动的程度.进汽腔体左右两侧的流动角度大小基本相等,方向相反,呈镜面对称状,在水平面附近最大周向流动角约为40°,意味着流动角度约有80°的变化,存在明显的周向不对称性,这会导致下游斜置静叶冲角的变化范围很大.

图3 A1平面上的流动角度分布图Fig.3 Flow angle distribution on plane A1

上述研究直观地说明了进汽腔出口流动的周向不对称性,具有明显的周向流动角度.但在实际中,中压缸第一级叶片的设计一般只考虑轴向流动的不同,而不考虑周向,这会影响第一级的气动性能.为了进一步研究其具体的影响,本文将结合叶片内部的流动进行分析.

2.2 叶片上的流动

为了更好地说明进汽腔内流动对出口叶片的影响,沿进汽腔周向选取了8个位置的叶片.图4给出了该8个不同周向位置叶片在50%叶高处的叶片表面压力分布.从图3可以得到该8个不同位置的流动角度范围为-40°～40°.由于在计算中各周向叶片安装角度一致,所以会导致不同的冲角,而不同冲角使叶片头部的压力分布存在较大差异.当冲角为正时,滞止点在吸力面侧,头部压差较小,呈尖头状(如叶片1);当冲角为负时,由于滞止点在压力面侧,滞止点和叶片进汽边(头部)存在较大压降(如叶片3的表面压力分布).不同周向位置叶片尾部的压力分布基本一致,说明该透平叶片对来流的流动角度相对不敏感,适用于进口流动角度变化较大的地方.

从图4可知:不同周向位置叶片由于冲角的不同,导致叶片表面的压力分布存在较大差异.为进一步考察叶片内部流动的差异性,沿周向选取了4个位置(1、3、5、7)的斜置叶片,并给出了不同周向位置斜置导叶在50%叶高处S1流面的速度矢量和压力云图(图5).结合图3的流动角度分布,在周向位置1和5,流动角度接近于轴向流动.

图4 不同周向位置叶片50%叶高位置的表面压力分布Fig.4 Profile pressure distribution at 50%span-wise for blades at different circumference positions

图5 不同周向位置斜置导叶在50%叶高处S1流面的速度矢量和压力云图Fig.5 Velocity vector and pressure contour at 50%span-wise on stream surface S1 for skew guide blade at different circumference positions

从图5的速度矢量看:在叶片进气边之前的流动以轴向流动为主,叶片头部的滞止点位于进气边附近;周向位置3和7的流动角度分别约为40°和-40°,头部的滞止点分别位于叶片的压力面侧和吸力面侧,但从压力分布和速度矢量图看都没有明显的流动分离,说明翼型对于来流角度不敏感.从周向位置3的头部压力分布可发现:相对于压力面滞止点相同的流线位置,吸力面侧的压力明显下降,在图4中也可清楚地看到这种现象.

为考察上游周向不对称性经过斜置静叶后是否弱化,图6给出了静叶出口B1(B1位于静叶出口1/4弦长处)处周向切面的压力和流动角度分布.从图6可清晰地看到:由于受到静叶的影响,上游静叶的尾迹在叶顶附近还十分明显,但在轮毂附近由于距离上游静叶较远,尾迹区的影响基本消失,周向比较对称,因此可以认为上游进汽腔体的周向不对称性在经过斜置静叶后基本消除.这对于机组通流部分高效、安全可靠的运行是有益的.

图6 静叶出口B1处周向切面的压力和流动角分布Fig.6 Pressure contour and flow angle on circumference section of B1 at outlet of stator blade

3 结 论

进汽腔体出口截面周向流动的不对称性使汽轮机第一级的工作条件偏离设计条件,进汽腔周向进气的不对称性使周向进气角存在偏差,导致冲角沿周向存在较大波动;但气流流过静叶之后,周向的不均匀性会减弱.因此,在设计第一级静叶时,应选择对来流进气角度不敏感的翼型.斜置静叶可使来流角度在较大范围内保持不分离,并能基本消除上游进汽腔的周向不对称性,从而保证下游动叶的工况.

[1] 史进渊,杨宇,孙庆,等.超临界和超超临界空冷汽轮机的技术方案及设计准则[J].动力工程,2007,27(6):825-830,855.SHI Jinyuan,YANG Yu,SUN Qing,et al.Technical versions and criteria concerning the design of air coo led supercritical and ultra-supercritical steam turbines[J].Power Engineering,2007,27(6):825-830,855.

[2] 李成勤,阳虹,杨建道,等.1 000MW超超临界汽轮机中压缸第一级斜置静叶的数值模拟研究[J].汽轮机技术,2009,51(1):42-44.LI Chengqin,YANG Hong,YANG Jiandao,et a l.Numerical simulation on the first stage oblique stator in the intermediate pressure cylinder o f 1 000 MW ultra supercritical steam turbine[J].Turbine Technology,2009,51(1):42-44.

[3] 何阿平,彭泽瑛.上汽-西门子型百万千瓦超超临界汽轮机[J].热力透平,2006,35(1):1-13.HE Aping,PENG Zeying.ultra supercritical 1 000 MW steam turbine with the“HMN” modules designed by STC and siemens[J].Thermal Turbine,2006,35(1):1-13.

[4] 杨建,竺晓程,闫怀喜.中压进汽系统的数值计算(一):进汽腔体的流动[C]∥中国动力工程学会透平专业委员会2009年学术研讨会论文集.北京:北京全四维动力科技有限公司,2009:107-112.

[5] 竺晓程,杨建,闫怀喜.中压进汽系统的数值计算(二):斜置导叶[C]∥中国动力工程学会透平专业委员会2009年学术研讨会论文集.北京:北京全四维动力科技有限公司,2009:113-118.