超超临界1 000 MW汽轮机双流调节级气动性能研究

钟刚云，王喜华，张鹏飞，周帅

(东方汽轮机有限公司，四川德阳，618000)

超超临界1 000 MW汽轮机双流调节级气动性能研究

钟刚云，王喜华，张鹏飞，周帅

(东方汽轮机有限公司，四川德阳，618000)

文章采用CFD数值分析软件完成了超超临界1 000 MW汽轮机双流调节级气动性能分析，分析对象包括双流进汽腔室、双流调节级整圈、外部回流腔室、出口混流腔室全真几何模型；分析结果表明在三阀、四阀工况下，该调节级进汽腔室结构压损小，调节级气动性能优良，能达到热力设计目标。

超超临界1 000 MW汽轮机，双流调节级，CFD全周模拟，冻结转子法，非周期性，流动特性，气动性能

0 引言

早期的汽轮机级数少，结构非常简单，没有调节级的概念。现在的汽轮机除了少量带基本负荷的节流配汽的汽轮机外，大多数都带有调节级，以此增加机组的负荷响应性与部分负荷运行的经济性。随着汽轮机设计技术与高温材料技术的发展，国家节能政策的推行，高参数、大容量逐渐成为未来汽轮机发展的主流方向。对于喷嘴调节的机组而言，调节级叶片设计技术的高低制约机组参数、容量的提高。当单流调节级不能满足机组功率等级的增大要求时，双流调节级应运而生，以此来降低更大功率单流调节级的结构设计风险，当然同时引起更复杂的流动问题，单流与双流调节级示意图见图1。

图1 单流与双流调节级示意图

由于部分进气度和小展弦比的存在，调节级流场非周期性、非均匀性强，动叶通道内二次流效应非常明显，流动呈现强烈的三维特性，流场流动特性复杂，效率低下［1］。调节级焓降高，就超超临界1 000 MW汽轮机而言，调节级效率对高压缸缸效率的影响见表1，其效率高低直接影响汽轮机的经济性。

表1 调节级效率对高压缸缸效率的影响

为弄清超超临界1 000 MW汽轮机双流调节级性能与热力设计目标差异，本文以CFD的方法完成了超超临界1 000 MW汽轮机双流调节级气动性能分析，分析对象为包括双流进汽腔室、双流调节级整圈、外部回流腔室、出口混流腔室全真几何模型。

1 数值方法与计算分析模型

1.1 数值方法

本文采用CFX软件完成数值分析，该软件采用有限体积法 （FVM）求解三维粘性可压缩非定常雷诺时均方程组，微分方程的离散选取了高精度二阶格式。该软件采用压力校正法求解低速不可压流动，在可压缩流动中则采用耦合解法 （连续方程、动量方程与能量方程联立求解）求解［2］。湍流模型采用SST二方程模型，近壁面处理技术采用改进壁面函数法 （Scalable Wall Functions），湍流模型的精度为高精度模式。

由于静、动交界面存在气动参数明显不均匀，因此静、动叶间的连接采用了冻结转子法 （Frozen Rotor）［3］，该方法避免了常规分析采用混合平面带来的参混损失与气动参数的 “抹平”处理［4］，能实时考虑滑移界面两侧的所有瞬时相互作用的影响，相当于瞬态转子法 （Transient Rotor-Stator）的单一时刻求解，较为准确地模拟出部分进气对调节级级段的气动影响。

本次分析包括双流进汽腔室、双流调节级整圈、外部回流腔室、出口混流腔室同时求解，因此在网格生成方面采用了混合网格技术。双流进汽腔室、外部回流腔室、出口混流腔室由于几何模型相对复杂，采用结构化网格具有相当大的难度，因此该部分网格生成采用了非结构化的四面体网格，边界层区域采用了棱柱形网格；叶片通道由于几何形状相对规则，因此采用六面体结构化网格生成，具有较高的数值模拟精度。2种网格通过粘接在求解器内耦合求解。

1.2 计算分析模型

本次分析为了具有较高的工程精度，因此在几何模型方面尽量减少简化，同时在计算条件许可的情况下尽量加密网格，保证网格合适的密度。计算网格采用结构化与非结构化网格耦合分析，总计算节点数是43 670 558，计算单元总数是51 188 935，计算分析在高性能计算服务器上进行，耗费内存总量在70 G左右，耗时数月完成。

调节级三维模型见图2，计算网格见图3。

图2 调节级计算模型

图3 调节级计算网格

1.3 流体介质与边界条件

计算所取介质为真实气体 （水蒸汽），基于IAPWS IF97工业标准，水蒸汽参数由水蒸汽表求得。壁面边界条件假定壁面绝热、光滑且相对于叶片静止。计算边界条件给定进口总温、总压和速度方向，出口给定流量，具体值见表2。

表2 计算边界条件

2 计算结果及分析

2.1 流动细节分析

本文研究了超超临界1 000 MW汽轮机调节级的三阀与四阀工况，图4为调节级三维流线图。从图4可见，三阀点由于不进汽弧段的存在，流动的非均匀性明显强于四阀工况。

图4 调节级三维流线图

图5为进汽腔室中径处压损与平面流线，三阀点由于四阀关闭，其对应弧段为大漩涡高损失流动区，其总压损失超过20%，腔室1由于流量大，压损偏高，部分区域压损超过1%，腔室2、3的压损偏小，主流区域皆小于0.5%。四阀工况阀门全开，没有三阀点那样的大漩涡高损失区，但漩涡流动仍然存在，腔室1、4由于流量大，压损偏高，有超过1%压损的流动区域，腔室2、3的流动与三阀点类似，压损偏小，主流区域皆小于0.5%。

图5 进汽腔室中径处压损与平面流线

图6为动叶出口后回流与混流腔室的特征面压损系数分布云图，三阀点大部分区域的压损系数高于2%，不进汽弧段更为明显，而四阀点的大部分区域的压损系数在1%以下。

图6 回流与混流腔室特征面压损与平面流线

图6中回流与混流腔室中的流动以大尺度的漩涡流动为主，其损失很高，其压损系数的平均水平超过进汽腔室中的压损系数。

2.2 总体性能对比分析

通过处理得到了超超临界1 000 MW汽轮机调节级2个工况下的进汽室压损，其结果见表3。从表3的计算结果来看，2个工况的进汽室压损都处于较低的水平，汽机侧与电机侧有少许的不同，其压损系数为0.2%～0.3%，该类单流腔室压损一般在1%左右，因此，超超临界1 000 MW汽轮机双流调节级的进汽腔室的设计是非常成功的。

表3 进汽室压损

采用周期性边界条件计算得到的调节级性能见表4。从表4可见，单通道计算的THA（三阀点）与VWO（四阀点）调节级设计效率差约3.61%。

表4 周期性边界条件调节级计算性能

本文的分析方法得到的超超临界1 000 MW汽轮机调节级效率见表5。从表5的计算结果来看，到动叶出口，四阀点的效率比三阀点高3%左右，但到了腔室出口，其效率差降到了1%左右，总结原因应该是腔室出口面积设计不合理，使得动叶出口的混合损失四阀点大于三阀点，具有一定的优化潜力。

表5 本文方法得到的调节级计算性能

从表5还可以发现，汽机侧、电机侧调节级效率相差较小，约为0.1%。对比表4、表5，得到周期性边界条件，本文计算方法得到的超超临界1 000 MW汽轮机调节级效率差见表6。

表6 不同方法计算调节级效率偏差

对于常规设计的大功率汽轮机组，与超超临界1 000 MW汽轮机双流调节级部分进汽度相似、叶高相似的单流调节级，部分进汽损失三阀点要大于四阀点2%～3%，三阀点与四阀点的调节级级段效率差值在10%左右，引起的缸效率偏差约在2.5%。从表6可见，超超临界1 000 MW汽轮机双流调节级部分进汽损失与单流调节级基本一致，但是调节级经过工况优化，四阀点与三阀点的效率偏差大幅减小，与传统单流调节级相比，其设计点效率更高，高效运行区间的区域更广。

本文的另一个目的是对比超超临界1 000 MW汽轮机双流调节级效率和热力设计目标之间的差异，以三阀点为例，本文得到的调节级效率和热力设计目标之间还有7%左右的余量，见表7，考虑汽封对效率的影响在2%～3%，考虑上限，本文得到的效率可以满足热力的设计目标。

表7 调节级级性能差异

3 结论

应用先进的CFD分析技术完成了超超临界1 000 MW汽轮机双流调节级气动性能分析，分析结果显示该双流调节级进汽腔室设计合理，压损系数低于传统特征近似的单流调节级进汽腔室压损；双流调节级部分进汽损失与单流调节级相似，通过工况优化，其设计点效率更高，高效运行区间的区域更广；四阀点动叶出口到混合腔室出口的压损较高，混流腔室的有优化的潜力；通过与热力结果对比，表明该调节级设计效率较高，可以达到热力设计目标。

[1]舒士甄,朱力,柯玄龄,等.叶轮机械原理[M].北京:清华大学出版社,1991

[2]YAO Zheng,CHEN Kang-Ming.Review on the commercial CFD software[J].University of Shanghai for Science and Technology,Vol.24 No.2 2002

[3]CFX-TASCflow User Documentation Version 2.10,AEA Technology Engineering Software Limited Waterloo,Ontario,Canada N2L 5Z4

[4]Denton J.D.,A time marching method for two and three dimensional blade-to-blade flows,Marchmood Engineering Laboratories Report R/M/R215

Investigation on Aerodynamic Performance of Double-flow Controlling Stages for Ultra-supercritical 1 000 MW Turbine

Zhong Gangyun，Wang Xihua，Zhang Pengfei，Zhou Shuai
（Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

In this paper,aerodynamic performance of double-flow controlling stages for ultra-supercritical 1 000 MW turbine which includes inlet chamber,controlling stages,outsider of the reverse flow chamber and export mixed flow chamber was investigated by using CFD software.The analysis result shows that the loss of total pressure in inlet chamber was lower under operation condition, the high aerodynamic performance of controlling stages could achieve the goal of thermodynamic design.

ultra-supercritical 1 000 MW turbine,double-flow controlling stages,full-passage CFD simulation,frozen rotor,nonperiodic,flow characteristic,aerodynamic performance

TK262

A

1674-9987（2015）03-0009-05

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2015.03.003

钟刚云 （1976-），男，本科，高级工程师，1999年毕业于西北工业大学，现从事汽轮机通流叶片设计工作。