主蒸汽非定常性对中压第一级温度场和流场的影响

富学斌，吴德友

(1.国网黑龙江省电力有限公司电力科学研究院， 哈尔滨 150030; 2.大唐哈尔滨第一热电厂, 哈尔滨 150078)

●能源及动力工程●

主蒸汽非定常性对中压第一级温度场和流场的影响

富学斌1，吴德友2

(1.国网黑龙江省电力有限公司电力科学研究院， 哈尔滨 150030; 2.大唐哈尔滨第一热电厂, 哈尔滨 150078)

以600 MW超超临界汽轮机中压缸为研究对象，采用气热耦合数值模拟方法研究非定常性对中压第一级温度场和流场的影响。针对有、无冷却蒸汽的两种工况，使用ANSYS CFX 10.0提供的Redich Kwong干蒸汽介质，k-epsilon湍流模型，总温方程热传导模型，研究了一个周期内动叶片表面温度分布和流场分布。研究结果表明，冷却蒸汽流动的非定常性对冷却效果、压力场和温度场的影响显著，主蒸汽流动的非定常性的影响可以忽略；蒸汽冷却为动叶增大了近10倍左右的热应力。

主蒸汽；非定常流动；中压转子；温度场；流场

汽轮机中压转子冷却过程是一个非定常过程，其流动非定常性对冷却效果影响很大[1]。采用气热耦合数值模拟方法研究非定常性对中压第一级温度场和流场的影响，主要应从流动主蒸汽与冷却蒸汽两个方面进行。研究表明，在蒸汽冷却参数与冷却结构不变的条件下，由于静、动叶相对位置的变化，使得进入主流道的冷却蒸汽流量随时间变化，这引起动叶根部及吸力面温度场随时间发生相应的改变[1]。以600 MW超超临界汽轮机中压缸为计算模型，研究主蒸汽非定常性对中压第一级温度场和流场的影响。

1 几何模型和边界条件

图1为无蒸汽冷却的中压级边界条件结构图，为提高非定常计算速度，不考虑流体区域与固体区域的耦合换热问题。图1中几何体模型中包括静叶栅流道、动叶栅流道两部分。计算所给定的边界条件，与有冷却时的情况基本相同，只是不需要对冷气通道的流通区域进行计算和给定边界条件。

表1给出了无冷却结构的汽轮机中压级非定常数值模拟的进出口边界条件，模拟软件为ANSYS CFX 10.0版本，在并行机上进行三维非定常数值计算。研究的汽轮机中压第一级，全周动叶叶片数为64，静叶叶片数为66。

图1 蒸汽轮机中压级边界条件结构图

表1 无冷却时中压级进出口边界条件

数值模拟采用由ANSYS CFX 10.0提供的Redich Kwong干蒸汽介质进行计算。计算采用高精度差分格式，二阶瞬态方法，收敛循环系数取值为3，湍流模型为k-epsilon模型，湍流度为中等湍流。热传导模型采用总温方程，在时间间隔(t1,t2)中物体温度从u(x,y,z,t1)变化到u(x,y,z,t2)，它所吸收的热量为：

式中，c为比热，ρ为密度。

动叶出口压力值在整个出口面上进行平均，动叶旋转速度为3000/min，动叶叶片数64。经计算，动叶栅转过一个节距的时间为3.125×10-4s。在中压级非定常数值模拟过程中，在一个周期(T)中平均取10个计算位置，相邻两个计算位置时间相差3.125×10-5s，因此在参数设定中将物理时间步长取值为3.125×10-5s。

2 结果及讨论

2.1 一个周期内动叶片表面温度分布

图2为非定常数值计算中一个周期(T)内, 从t/T=0.0到t/T=0.8五个典型时刻动叶吸力面温度分布云图。无冷却动叶表面温度分布是否受流动非定常性影响，取决于吸力面温度分布是否随时间变化。[2-4]

图2 一个周期内典型时刻动叶表面温度分布云图

如图2所示，在叶顶与叶根局部区由于间隙与壁面的滞止作用，形成局部高温区，温度在819.8～822.4K之间。叶顶存在一个高温区，面积不随时间变化。叶根存在三处或二处局部高温区，其形状随时间变化，但总面积变化很小。吸力面有小面积低温区，温度处于814.5～817.1K之间，不同时刻其形状不同，面积变化也不大。在五个典型时刻，吸力面上其余绝大部分区域温度均在817.1～819.8K。由此可见，无冷却中压第一级叶片表面温度分布受非定常效应的影响非常小。

2.2 一个周期内流场情况

图3给出了无冷却情况时，从t/T=0.0到t/T=0.8五个典型时刻沿动叶叶型的静压分布，从图3中可以看出，无冷却时五个典型时刻沿动叶叶型的压力分布曲线是重合的，说明无冷却时流动非定常性对静压分布无影响。

图3 五个典型时刻沿动叶叶型的静压分布

3 结 论

以600 MW超超临界汽轮机中压缸为计算模型,对中压第一级进行了数值研究，研究表明：

a.主蒸汽流动的非定常性对冷却效果、压力场和温度场的影响可以忽略，有冷却时级内的冷却效果、 压力场和温度场随时间的变化， 主要是由冷却蒸汽流动的非定常性导致的。

b.无冷却时动叶表面温度随时间的变化幅度为1.3～2.4K， 与有冷却时动叶表面温度随时间的变化幅度22～23K[1]相比，显然蒸汽冷却为动叶增大了近10倍左右的热应力，而且此热应力随时间变化，对动叶造成热冲击，加剧动叶的损耗。很有必要根据非定常计算结果，在设计时考虑采取措施，增强动叶的安全可靠性。

[1] 吕智强，周逊，刘顺隆. 超超临界汽轮机中压转子冷却的非定常数值模拟[J]. 汽轮机技术，2009， 51(1)：5-7. LV Zhiqiang, ZHOU Xun, LIU Shunlong. Unsteady numerical simulation of medium pressure rotor cooling[J]. Turbine Technology, 2009, 51(1): 5-7.

[2] 黄洪雁， 陈凯， 董平，等. 气热耦合多孔气膜冷却流动的数值研究[J]. 工程热物理学报. 2007， 28(增刊 1)：81-84. HUANG Hongyan, CHEN Kai, DONG Ping, et al. Numerical study of film cooling flow on porous vane with conjugate heat transfer[J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2007, 28(z1): 81-84.

[3] 姜澎，黄洪雁，冯国泰. 空气冷却涡轮叶片气热耦合数值计算[J]. 哈尔滨工业大学学报. 2006， 38(12)：2036-2038. JIANG Peng, HUANG Hongyan, FENG Guotai. Numerical simulation of conjugate heat transfer in turbine blade with air cooling[J]. Journal of Harbin Institute of Technology. 2006, 38(12): 2036-2038.

[4] 陈凯， 黄洪雁， 匡云，等. 涡轮叶栅三维气热耦合数值模拟[J]. 节能技术. 2006， 24(4)：321-325. CHEN Kai, HUANG Hongyan, KUANG Yun, et al. Numerical simulation of turbine vane with three dimensional aero-thermal coupled heat transfer[J]. Energy Conservation Technology. 2006, 24(4): 321-325.

(编辑 李世杰)

Influence of the main steam unsteadiness on the temperature field and flow field of medium pressure at the first stage

FU Xuebin1,WU Deyou2

(1.Electric Power Research Institute of State Grid Heilongjiang Electric Power Co., Ltd.,Harbin 150030, China; 2.Datang Harbin No.1 Thermal Power Plant, Harbin 150078,China)

Taking the pressure cylinder of a 600 MW ultra supercritical steam turbine as the research object, the influence of unsteadiness on the temperature field and flow field of medium pressure at the first stage is studied by using the numerical simulation method of conjugate heat transfer. According to the two conditions with and without cooling steam, the research of rotor blade surface temperature distribution and flow field distribution in a period is taken by using Redich Kwong dry steam medium provided by ANSYS CFX 10, k-epsilon turbulence model and heat conduction model of total temperature equation. The results show that the unsteadiness of the cooling steam flow has an obvious effect on the cooling effect, pressure field and temperature field; the influence of the unsteadiness of the main steam flow can be neglected; the thermal stress of rotor blade is increased nearly 10 times by steam cooling.

main steam; unsteady flow; medium pressure rotor; temperature field; flow field

2017-01-09。

富学斌(1972—),男,工程硕士,高级工程师,主要从事汽轮机及其辅机的基建调试、性能试验、故障分析、优化运行等工作。

TK264.1

B

2095-6843(2017)02-0170-03