高效宽负荷汽轮机通流气动技术研究

杜小琴，王建录，袁永强，范小平，邓国梁，刘勐

(东方汽轮机有限公司，四川 德阳，618000)

0 引言

所谓高效宽负荷汽轮机即变负荷情况下仍然要保证机组具有较高的经济性。通常情况下，机组不一定都运行在设计点，且有可能大部分情况都不在设计点运行。若机组负荷适应性差，就算设计点机组效率很高，实际运行的热耗也很高，也不能体现超超临界机组的经济性优势。因此有必要开发高效宽负荷汽轮机机组，保证深度调峰时机组均具有较高的经济性，同时保证机组额定负荷的循环效率和通流效率。为此国家提出了科技支撑计划： “高效宽负荷1000 MW超超临界机组开发与应用”项目。本文对高效宽负荷机组开发中的通流气动技术进行研究。

为保证宽负荷范围内机组的经济性，热力设计拟选用旁通配汽方式，同时选择不同负荷点为设计点，综合考虑全负荷范围内的加权经济性，以此选出最佳设计负荷点。同时采用零号高加，在热力系统上寻求宽负荷汽轮机。

汽轮机的经济性主要体现在汽轮机效率，而效率的高低取决于蒸汽流过叶栅通道损失的大小，很多国内外的文献都为减小叶栅的能量损失进行了大量的研究。叶型载荷特性与其气动性能息息相关，载荷特性不同，转涙位置不同，对二次流的影响程度也不同，从而叶栅损失大小就不同[1-4]。汽轮机末级焓降大、流速高，尤其是动叶通道内的超音速汽流，很容易形成激波，带来不可避免的激波损失。末级静叶不同的成型规律能够影响动静之间参数的大小及其沿径向的分布规律，从而改变末级的流场特性[5-7]。 此外，末级叶片后的低压排汽缸性能直接决定末级余速的利用程度，目前对低压排汽缸性能的研究大多采用数值计算方法，且认为低压排汽缸与末级叶片的耦合计算结果与单独的排汽缸计算结果不同[8-9]， 甚至有必要进行非定常计算。

本文的高效宽负荷机组以某1000 MW超超临界汽轮机为依托，在此基础上进行优化研究，以达到高效宽负荷的目的。

1 高中压亚音速叶型设计

为提高机组的宽负荷性能，高中压必然要开发新的低型损亚音速静叶和动叶叶型，同时满足宽负荷的要求。

叶型的设计是在原有叶型的基础上进行优化，并应用二维程序初步评估其能量损失。如果优化叶型能够在较宽的攻角范围内能量损失系数都较小，便认为达到了初步设计的目的。整个叶高范围内，静叶叶型母型相同，可只对单独一个截面进行优化，并将优化结果应用于整个叶高方向。动叶叶型沿叶高变化，必须对不同叶高截面分别进行优化设计，然后沿叶高方向叠加成型。图1和图2分别给出了新叶型与原始叶型的差异，其中动叶仅给出了根部截面的差异，其余截面的差异与根部截面相似。可以看出，静叶和动叶叶型的变工况性能都得到了明显改善，尤其是动叶的攻角适应性变化非常明显。

图1 静叶新设叶型与原始叶型对比

图2 动叶根部新设叶型与原始叶型对比

为进一步验证新设宽负荷叶型的优势，还对静叶进行了平面叶栅风洞试验和环形叶栅试验，静动叶一起进行了多级透平试验，如图3和图4所示。

图3 静叶平面叶栅和环形叶栅试验件

图4 多级透平试验

通过试验结果进一步验证了新设叶型的变工况性能，与二维程序计算结果非常接近。三级透平试验条件的设计工况下，新设叶型的整缸效率高于原始叶型1.5%，如图5所示，新设叶型收益明显。

将新设亚音速叶型通过通流参数匹配应用到高效宽负荷机组中，可明显看出机组变工况性能相比于原机组的优势。

2 低压超音速叶片优化

低压末级和次末级，甚至次次末级叶片通道内汽流都可能达到超音速，且很容易受变工况的影响，因此末几级超音速叶型的优化设计对提高变工况性能非常关键，高效宽负荷机组更是如此。此处以末级叶片为例进行优化设计，次末级和次次末级叶片的设计参照末级叶片的设计思路进行。

高效宽负荷机组选用的末级叶片为1200 mm叶片，对其优化之前首先需对其流场特性进行详细的分析。通过分析发现，原叶片虽然性能优良，仍具有一定的优化潜力，尤其是变工况条件下。

末级叶片的优化首先根据准三元程序分析末级的相关参数，如速比、反动度、排汽角等，判断其是否存在优化空间。尤其是在变工况条件下，这些参数是否发生显著变化？如有，便通过对叶片进行初步扭转等方式进行优化。若变工况条件下，参数变化显著，将作适当调整，这可能会牺牲部分设计工况或其余工况的收益，此时需考虑各个工况的综合收益。

应用Numeca软件对准三元程序分析优化的结果进行全三维CFD分析，并与原始分析结果进行对比，明确准三元程序优化收益。同时进一步分析还有哪些优化空间，便于进行下一步优化。

首先对静叶进行单独优化，调整静叶流型变化规律，使动叶入口攻角匹配更加合理，同时适当调节反动度沿径向的分布，改变级负荷沿叶高方向的分布，在扭转规律优化的基础上进一步对叶片周向弯曲规律进行优化。三维优化采用Design 3D进行，图6给出了静叶优化前后的形状对比。

图6 原型与优化后静叶形状对比

由于静叶优化时已考虑了动静之间攻角的匹配及反动度等参数的影响，动叶的优化仅以改变动叶通道内汽流折转角及排汽角为目的，以进一步改善末级性能。且动叶型线如作过多调整，对叶片强度和频率的影响也很大，因此动叶优化的改变相对静叶较弱，图7给出了动叶优化前后的形状对比。

图7 原型与优化后动叶形状对比

任何优化均以提高效率和变工况性能为目的，末级叶片的优化也是如此，因此需对末级叶片的优化结果进行详细的全三元分析，并比较变工况结果与优化前的差异。如图8所示，优化后不同工况下其气动损失收益相当，但低负荷工况下，其余速收益非常明显。图8中效率的定义公式为：

式（1）、（2）中，H为焓值， 下标0表示级入口焓值，下标2为级出口焓值，下标s表示等熵焓，上标*表示总焓，无上标表示静焓。

图8 末级优化前后变工况效率

对于次末级和次次末级叶片，其流场结构可能相对较简单，但对其优化设计思路仍与末级叶片相同。

3 低压排汽缸优化

低压排汽缸连接着末级叶片和凝汽器，好的排汽缸设计能够将末级汽流的余速动能尽可能地转化为压力能，达到良好的扩压效果。变工况情况下，末级的出口汽流条件可能更加恶劣，因此良好的排汽缸性能对高效宽负荷机组的设计非常重要。

首先，应用CFX软件对简化的独立排汽缸模型进行计算，对排汽缸内的汽流流动机理进行深入分析，综合考虑各种因素对独立的真实排汽缸模型进行优化。其次，排汽缸入口的真实流场为末级叶片出口汽流，即使考虑排汽缸入口汽流的偏转，顶部围带汽封泄漏流的影响也很难评估，因此必须将排汽缸和末级叶片进行耦合计算来重新评估排汽缸的性能，才能反应实际的真实情况。最后对带末级叶片的排汽缸变工况性能进行分析，确保排汽缸变工况时的性能改善。

排汽缸的性能评估参数为静压恢复系数，定义为： （出口静压－入口静压）/入口总压，优化时以获取最大收益为目标。

图9给出了排汽缸内的基本流线示意图，从整体看，由于内部结构进行了一定简化，流场均匀，流线特征明显，但仍表明了排汽缸不同入口区域进入的汽流在内部的流动行为。对不同部位的汽流结构进行分析，可以看出汽流的流动特点，汽流涡形成的原因。优化时适当调整排汽缸局部位置型线结构，以减弱或消除汽流涡为目的，从而使排汽缸的静压恢复系数增大。

图9 排汽缸机理分析时流线示意图

通过各种优化方案后，独立排汽缸静压恢复系数较原始模型提高了43.1%，可见优化效果显著，主要就是因为减弱或消除了内部的汽流涡结构。图10为排汽缸内某截面的流线图，图10（a）中红圈标出的汽流涡在优化模型中消失了，如图10（b）所示。

图10 截面流线图对比

与末级叶片的耦合计算方式有两种：单通道叶片和整圈叶片通道。统计两种方式计算后排汽缸的静压恢复系数，相比于独立计算模型，静压恢复系数分别降低了47.4%和46.2%。对排汽缸的内部流场进一步的分析结果表明两种耦合计算方式结果相当，但带上叶片通道后，排汽缸的性能显著下降。

带上末级叶片和独立排汽缸计算的主要差异就在于排汽缸入口的汽流结构不同。独立计算时，入口汽流均匀，而带上末级叶片后，入口汽流为末级叶片排汽，流动参数分布不均，汽流方向紊乱，且顶部围带汽封的泄漏作用还可能不利于排汽缸顶部汽流的流动。图11的三维流线起点为排汽缸入口顶部某一扇形面，可以看出围带上部汽封排出的射流与动叶顶部排出的主流方向差别巨大，尽管在刚进入排汽缸时两种流动之间并没有较大的间隙，但是速度的不一致导致流动在进入下游区域后产生分离，同时交界面上的粘性作用产生涡旋，并导致流线A产生。流线A在向下游发展的过程中会进入导流环正面主流区域和导流环背面涡旋区域，并在这些区域形成挤压，带来更多损失，使静压恢复系数显著下降。

由此可见，末级叶片出口真实的流场结构对排汽缸入口汽流影响显著，必须对排汽缸的性能进行再优化，仍然以削弱通道涡为目的，同时尽可能考虑末级的性能不受影响，综合评估末级和排汽缸的收益。带上末级叶片对低压排汽缸性能进行再优化后，静压恢复系数相比于优化前提高了30.2%，排汽缸性能明显得到改善。此外，变工况条件下，排汽缸的静压恢复系数也大幅提高。

图11 排汽缸入口顶部三维流线图

4 总结

本文介绍了高效宽负荷机组开发过程中高中压亚音速叶型的设计，低压超音速叶片的优化和低压排汽缸的优化设计过程，研究结果均在新设计的1000 MW高效宽负荷汽轮机中得以应用。

高中压亚音速叶型的设计不仅能够提高机组的通流效率，还能使其变工况性能得到提高，通过通流参数匹配应用到高效宽负荷机组中后，通流性能明显提高，尤其是变工况条件下的性能。

低压超音速叶片的优化对变工况性能的收益非常明显，优化后不仅低压通流气动性能得到提高，而且变工况条件下的余速损失大大减小。

低压排汽缸的数值模拟计算必须要带上末级叶片进行耦合计算，以满足真实的汽流流动结构，排汽缸静压恢复系数降低的主要原因是一系列通道涡的存在。本文以削弱或消除通道涡为目的，对排汽缸的性能进行优化，收益效果明显。

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