超超臨界1 000 MW汽輪機雙流調節級氣動性能研究

鐘剛云，王喜華，張鵬飛，周帥

(東方汽輪機有限公司，四川德陽，618000)

超超臨界1 000 MW汽輪機雙流調節級氣動性能研究

鐘剛云，王喜華，張鵬飛，周帥

(東方汽輪機有限公司，四川德陽，618000)

文章采用CFD數值分析軟件完成了超超臨界1 000 MW汽輪機雙流調節級氣動性能分析，分析對象包括雙流進汽腔室、雙流調節級整圈、外部回流腔室、出口混流腔室全真幾何模型；分析結果表明在三閥、四閥工況下，該調節級進汽腔室結構壓損小，調節級氣動性能優良，能達到熱力設計目標。

超超臨界1 000 MW汽輪機，雙流調節級，CFD全周模擬，凍結轉子法，非周期性，流動特性，氣動性能

0 引言

早期的汽輪機級數少，結構非常簡單，沒有調節級的概念。現在的汽輪機除了少量帶基本負荷的節流配汽的汽輪機外，大多數都帶有調節級，以此增加機組的負荷響應性與部分負荷運行的經濟性。隨著汽輪機設計技術與高溫材料技術的發展，國家節能政策的推行，高參數、大容量逐漸成為未來汽輪機發展的主流方向。對于噴嘴調節的機組而言，調節級葉片設計技術的高低制約機組參數、容量的提高。當單流調節級不能滿足機組功率等級的增大要求時，雙流調節級應運而生，以此來降低更大功率單流調節級的結構設計風險，當然同時引起更復雜的流動問題，單流與雙流調節級示意圖見圖1。

圖1 單流與雙流調節級示意圖

由于部分進氣度和小展弦比的存在，調節級流場非周期性、非均勻性強，動葉通道內二次流效應非常明顯，流動呈現強烈的三維特性，流場流動特性復雜，效率低下［1］。調節級焓降高，就超超臨界1 000 MW汽輪機而言，調節級效率對高壓缸缸效率的影響見表1，其效率高低直接影響汽輪機的經濟性。

表1 調節級效率對高壓缸缸效率的影響

為弄清超超臨界1 000 MW汽輪機雙流調節級性能與熱力設計目標差異，本文以CFD的方法完成了超超臨界1 000 MW汽輪機雙流調節級氣動性能分析，分析對象為包括雙流進汽腔室、雙流調節級整圈、外部回流腔室、出口混流腔室全真幾何模型。

1 數值方法與計算分析模型

1.1 數值方法

本文采用CFX軟件完成數值分析，該軟件采用有限體積法 （FVM）求解三維粘性可壓縮非定常雷諾時均方程組，微分方程的離散選取了高精度二階格式。該軟件采用壓力校正法求解低速不可壓流動，在可壓縮流動中則采用耦合解法 （連續方程、動量方程與能量方程聯立求解）求解［2］。湍流模型采用SST二方程模型，近壁面處理技術采用改進壁面函數法 （Scalable Wall Functions），湍流模型的精度為高精度模式。

由于靜、動交界面存在氣動參數明顯不均勻，因此靜、動葉間的連接采用了凍結轉子法 （Frozen Rotor）［3］，該方法避免了常規分析采用混合平面帶來的參混損失與氣動參數的 “抹平”處理［4］，能實時考慮滑移界面兩側的所有瞬時相互作用的影響，相當于瞬態轉子法 （Transient Rotor-Stator）的單一時刻求解，較為準確地模擬出部分進氣對調節級級段的氣動影響。

本次分析包括雙流進汽腔室、雙流調節級整圈、外部回流腔室、出口混流腔室同時求解，因此在網格生成方面采用了混合網格技術。雙流進汽腔室、外部回流腔室、出口混流腔室由于幾何模型相對復雜，采用結構化網格具有相當大的難度，因此該部分網格生成采用了非結構化的四面體網格，邊界層區域采用了棱柱形網格；葉片通道由于幾何形狀相對規則，因此采用六面體結構化網格生成，具有較高的數值模擬精度。2種網格通過粘接在求解器內耦合求解。

1.2 計算分析模型

本次分析為了具有較高的工程精度，因此在幾何模型方面盡量減少簡化，同時在計算條件許可的情況下盡量加密網格，保證網格合適的密度。計算網格采用結構化與非結構化網格耦合分析，總計算節點數是43 670 558，計算單元總數是51 188 935，計算分析在高性能計算服務器上進行，耗費內存總量在70 G左右，耗時數月完成。

調節級三維模型見圖2，計算網格見圖3。

圖2 調節級計算模型

圖3 調節級計算網格

1.3 流體介質與邊界條件

計算所取介質為真實氣體 （水蒸汽），基于IAPWS IF97工業標準，水蒸汽參數由水蒸汽表求得。壁面邊界條件假定壁面絕熱、光滑且相對于葉片靜止。計算邊界條件給定進口總溫、總壓和速度方向，出口給定流量，具體值見表2。

表2 計算邊界條件

2 計算結果及分析

2.1 流動細節分析

本文研究了超超臨界1 000 MW汽輪機調節級的三閥與四閥工況，圖4為調節級三維流線圖。從圖4可見，三閥點由于不進汽弧段的存在，流動的非均勻性明顯強于四閥工況。

圖4 調節級三維流線圖

圖5為進汽腔室中徑處壓損與平面流線，三閥點由于四閥關閉，其對應弧段為大漩渦高損失流動區，其總壓損失超過20%，腔室1由于流量大，壓損偏高，部分區域壓損超過1%，腔室2、3的壓損偏小，主流區域皆小于0.5%。四閥工況閥門全開，沒有三閥點那樣的大漩渦高損失區，但漩渦流動仍然存在，腔室1、4由于流量大，壓損偏高，有超過1%壓損的流動區域，腔室2、3的流動與三閥點類似，壓損偏小，主流區域皆小于0.5%。

圖5 進汽腔室中徑處壓損與平面流線

圖6為動葉出口后回流與混流腔室的特征面壓損系數分布云圖，三閥點大部分區域的壓損系數高于2%，不進汽弧段更為明顯，而四閥點的大部分區域的壓損系數在1%以下。

圖6 回流與混流腔室特征面壓損與平面流線

圖6中回流與混流腔室中的流動以大尺度的漩渦流動為主，其損失很高，其壓損系數的平均水平超過進汽腔室中的壓損系數。

2.2 總體性能對比分析

通過處理得到了超超臨界1 000 MW汽輪機調節級2個工況下的進汽室壓損，其結果見表3。從表3的計算結果來看，2個工況的進汽室壓損都處于較低的水平，汽機側與電機側有少許的不同，其壓損系數為0.2%～0.3%，該類單流腔室壓損一般在1%左右，因此，超超臨界1 000 MW汽輪機雙流調節級的進汽腔室的設計是非常成功的。

表3 進汽室壓損

采用周期性邊界條件計算得到的調節級性能見表4。從表4可見，單通道計算的THA（三閥點）與VWO（四閥點）調節級設計效率差約3.61%。

表4 周期性邊界條件調節級計算性能

本文的分析方法得到的超超臨界1 000 MW汽輪機調節級效率見表5。從表5的計算結果來看，到動葉出口，四閥點的效率比三閥點高3%左右，但到了腔室出口，其效率差降到了1%左右，總結原因應該是腔室出口面積設計不合理，使得動葉出口的混合損失四閥點大于三閥點，具有一定的優化潛力。

表5 本文方法得到的調節級計算性能

從表5還可以發現，汽機側、電機側調節級效率相差較小，約為0.1%。對比表4、表5，得到周期性邊界條件，本文計算方法得到的超超臨界1 000 MW汽輪機調節級效率差見表6。

表6 不同方法計算調節級效率偏差

對于常規設計的大功率汽輪機組，與超超臨界1 000 MW汽輪機雙流調節級部分進汽度相似、葉高相似的單流調節級，部分進汽損失三閥點要大于四閥點2%～3%，三閥點與四閥點的調節級級段效率差值在10%左右，引起的缸效率偏差約在2.5%。從表6可見，超超臨界1 000 MW汽輪機雙流調節級部分進汽損失與單流調節級基本一致，但是調節級經過工況優化，四閥點與三閥點的效率偏差大幅減小，與傳統單流調節級相比，其設計點效率更高，高效運行區間的區域更廣。

本文的另一個目的是對比超超臨界1 000 MW汽輪機雙流調節級效率和熱力設計目標之間的差異，以三閥點為例，本文得到的調節級效率和熱力設計目標之間還有7%左右的余量，見表7，考慮汽封對效率的影響在2%～3%，考慮上限，本文得到的效率可以滿足熱力的設計目標。

表7 調節級級性能差異

3 結論

應用先進的CFD分析技術完成了超超臨界1 000 MW汽輪機雙流調節級氣動性能分析，分析結果顯示該雙流調節級進汽腔室設計合理，壓損系數低于傳統特征近似的單流調節級進汽腔室壓損；雙流調節級部分進汽損失與單流調節級相似，通過工況優化，其設計點效率更高，高效運行區間的區域更廣；四閥點動葉出口到混合腔室出口的壓損較高，混流腔室的有優化的潛力；通過與熱力結果對比，表明該調節級設計效率較高，可以達到熱力設計目標。

[1]舒士甄,朱力,柯玄齡,等.葉輪機械原理[M].北京:清華大學出版社,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

鐘剛云 （1976-），男，本科，高級工程師，1999年畢業于西北工業大學，現從事汽輪機通流葉片設計工作。