350MW抽风式空冷汽轮发电机轴流风扇性能研究
2021-08-06安志华秦光宇刘平超朱志佳
王 海,刘 双,安志华,秦光宇,刘平超,朱志佳,梁 彬
(哈尔滨电机厂有限责任公司,哈尔滨150040)
0 前言
汽轮发电机在300MW以上通常采用定子水冷的方式,但采用水冷冷却方式时,一方面,发电机需要一套水处理系统,另一方面,故障发生率较空冷机组大。为研发出超大容量空冷汽轮发电机,同时保证定转子温升在合理范围内,设计将轴流风扇由压入式改成抽风式,这样可以使风扇产生的气动摩擦损耗不被直接引入到电机内部,而是将这部分损耗送至冷却器,之后通过设计更大冷却能力的空冷器来保证进入电机内的空气温度,达到提高汽轮发电机容量的目的[1-5]。
在抽风式空冷汽轮发电机的结构中,轴流风扇是机组的关键部件,其性能的优劣直接影响到汽轮发电机的性能和发电机功率。
近些年,CFD技术在空气动力学领域异军突起,日趋成熟,在各类风扇的研制和性能评估中发挥着至关重要的作用[6],强冠杰等采用流场试验和数值仿真研究了风扇失速起始特征及诱因[7],胡磊等对1100MW水氢氢汽轮发电机多级风扇动叶进行了改型数值研究[8],李景银等研究了带有前后导叶的可逆轴流风机[9]。CFD技术不但可以降低成本,缩短研发周期,而且还能排除由试验产生的干扰,多方面、多角度地获得流动和传热细节,更易发现问题,利于提出解决措施。
1 试验测定
汽轮发电机单侧风扇座环上安装了32个扇叶,安装角为 29.2°,叶尖间隙 2mm,轮毂直径Φ1118mm,实际安装情况如图1所示。
图1 风扇实际安装图
在试验过程中,测试内容包括发电机总风量,风扇前后的风压与风温[10]。
机组的总风量的测量采用中速风表 (测量范围0.5~10m/s),通过连接线将风表与显示测定设备连接,如图2所示。
图2 风量测量设备
中速风表需使用挟持工具固定在每个空冷器的进风位置,4个空冷器共8块风速仪,具体测试元件布置如图3所示。
图3 冷却器风速仪布置图
风扇前后的压力需经引风管,使用测压仪 (testo 512)进行测定。
风扇前后风温使用PT100温度传感器 (±0.15℃偏差)测量,将其与引风管绑定在一起,通过万用表测取阻值推算风温。引风管安装示意位置如图4所示。
图4 引风管安装示意图
为尽量排除各种因素对风扇前后测量的影响,空冷350MW汽轮发电机运行过程中要达到热稳定。试验在转速为3000r/min的空转工况下进行,试验数据统计见表1。
表1 空冷350MW汽轮发电机空转运行试验数据
2 数值仿真分析
2.1 计算方法与气动模型
高质量的网格和合理的网格数量是保证数值仿真有效性的前提条件[11]。轴流风扇扇叶几何模型如图5所示。
图5 轴流风扇扇叶几何模型
该扇叶采用全六面体网格进行划分,参考雷诺数Re为1.55×106,近壁面Y+值取15,并在相同边界条件和保证网格质量的前提下,以每次增加2倍网格数量所获得的计算结果,进行网格独立性验证。单个扇叶网格信息数据见表2,当网格单元数达到133万时,静压效率和出口温度数值已基本不变。具体网格划分情况如图6所示。
表2 网格独立性验证
图6 扇叶网格划分情况
湍流模型采用SST模型,收敛精度1×10-5,同时监控出口温度、进出口质量流量[12]。当仿真过程达到收敛精度,同时出口温度稳定,进出口质量流量相同时,认为已达到收敛状态。
控制方程为N-S方程。在三维笛卡尔坐标系中,其守恒形式为:
其中,t为时间;Q为守恒变量矢量;F、G和H为无黏通矢量;Fv、Gv和Hv为黏性通矢量。
2.2 边界条件
边界条件根据厂内真机试验获得的数据给定。风扇进口给定质量流量 55.775kg/s、气体温度31.29℃;出口给定绝对静压102.335kPa;壁面为无滑移边界,采用绝热。流体介质为理想空气(考虑可压缩)[13]。汽轮发电机轴流风扇安装到转子主轴两端,转速 3000r/min。
3 数值计算分析
汽轮发电机初期设计过程中,在确定了轴流风扇叶型,保证了叶尖间隙后,安装角和叶片数是影响轴流风扇性能的两个重要参数,本文对这两个参数进行系统分析。
3.1 试验与数值仿真结果对比
试验测量的风扇出口温度为43.625℃,CFD仿真计算温度为43.504℃,两者相差0.121℃,在PT100的精度范围内,可以认为仿真是有效的。
3.2 不同安装角对风扇性能的影响
汽轮发电机在运行过程中,对风扇安装角29.2°和31.2°进行了实际运行。根据运行需求,对这两个安装角在不同质量流量下的风扇性能进行评估分析,得到不同质量流量下的轴流风扇的静压效率、总压升和进出口温差曲线(质量流量下限计算到轴流风扇出口出现回流为止)如图7~9所示。
图7 不同质量流量下的轴流风扇的静压效率曲线
从图7中可以看出,29.2°和31.2°风扇安装角随着入口质量流量的增加,静压效率都呈现出先增加后降低的趋势,在<1时,安装角29.2°静压效率高;在>1时,安装角31.2°静压效率高。并且在相同的背压情况下,安装角29.2°可以在更大范围的质量流量下工作而没有回流,而安装角31.2°工作范围较小,但适合质量流量较高的工况。
根据图8、图9,可以分析得出,在工作范围内,相同的质量流量,安装角31.2°的总压升和进出口温差比安装角29.2°的要高。
图8 不同质量流量下的轴流风扇的总压升曲线
图9 不同质量流量下的轴流风扇的进出口温差曲线
当质量流量为54kg/s时,安装角31.2°的总压升比安装角 29.2°的高 1277.8Pa,进出口温差高1.267℃;当质量流量为60kg/s时,安装角31.2°的总压升比安装角29.2°的高2033.8Pa,进出口温差高1.893℃。
从图10可以看出,安装角31.2°的叶片表面流速更高,这说明对空气做功能力更强,产生的压升更高;另外在叶尖处,两个安装角都会出现叶尖涡[14],而且安装角31.2°的叶片还会在迎风面的根部尾迹区域,明显出现流动分离,产生回流,这会增加气动摩擦,产生能量损失[15,16]。
图10 风叶表面流线分布
虽然安装角31.2°的扇叶会产生更多的空气温升,但这些能量并不会被直接带入到汽轮发电机机体内部,而是经导风通道,汇入汽轮机下方空冷器,所以只要空冷器有足够的冷却能力,就不会导致进入汽轮发电机内的空气温度过高,影响机组运行。
综上,如果风扇背压允许,可尽量采用安装角31.2°的叶片,并适当增大空冷器的冷却能力[17]。
3.3 不同叶片数对风扇性能的影响
安装角29.2°时,不同叶片数对总压升与进出口温差的影响如图11所示。在图中,随着叶片数的增加,总压升和进出口温差都呈线性增加。具体情况为,叶片数从27增加到35,总压升增加了393.8Pa,进出口温差提高0.437℃,但相比于改变安装角,总压升和进出口温差的变化并不大。
图11 安装角29.2°时,不同叶片数对压升与温升的影响
4 结论
本文根据350MW抽风式汽轮发电机试验风扇数据,建立三维模型,进行了叶片数值计算,其间进行了网格独立性验证,保证了计算的精度,并且与试验数据进行对比,验证了其有效性。
针对叶片初期设计参数安装角和叶片数,进行了风扇特性分析,得到如下结论:
(1)安装角31.2°的叶片的工作范围比安装角29.2°的要小,但在较大质量流量下,安装角31.2°的叶片的静压效率要高,同样的,会产生更大的进出口温差。由于汽轮发电机采用抽风式结构,更大的进出口温差也不会被直接带入到电机内部,而是要先经过空冷器,这也是抽风式汽轮发电机的主要优势之一。
(2)安装角29.2°和31.2°的叶片在叶尖处都会产生叶尖涡,并且安装角31.2°的叶片还会在迎风面叶根处出现流动分离,产生耗散。
(3)风扇叶片数不能过少,以免出现回流。风扇叶片的增加,对静压效率的影响不大,对总压升和进出口温差呈线性影响,但变化幅度相比安装角并不大。
综上所述,对于350MW抽风式空冷汽轮发电机风扇,在保证风扇数足够的情况下,电机风量较大时,可采用风扇安装角31.2°,同时适当提高空冷器冷却能力;在电机风量较少时,采用安装角29.2°。