主蒸汽非定常性對中壓第一級溫度場和流場的影響

富學斌，吳德友

(1.國網黑龍江省電力有限公司電力科學研究院， 哈爾濱 150030; 2.大唐哈爾濱第一熱電廠, 哈爾濱 150078)

●能源及動力工程●

主蒸汽非定常性對中壓第一級溫度場和流場的影響

富學斌1，吳德友2

(1.國網黑龍江省電力有限公司電力科學研究院， 哈爾濱 150030; 2.大唐哈爾濱第一熱電廠, 哈爾濱 150078)

以600 MW超超臨界汽輪機中壓缸為研究對象，采用氣熱耦合數值模擬方法研究非定常性對中壓第一級溫度場和流場的影響。針對有、無冷卻蒸汽的兩種工況，使用ANSYS CFX 10.0提供的Redich Kwong干蒸汽介質，k-epsilon湍流模型，總溫方程熱傳導模型，研究了一個周期內動葉片表面溫度分布和流場分布。研究結果表明，冷卻蒸汽流動的非定常性對冷卻效果、壓力場和溫度場的影響顯著，主蒸汽流動的非定常性的影響可以忽略；蒸汽冷卻為動葉增大了近10倍左右的熱應力。

主蒸汽；非定常流動；中壓轉子；溫度場；流場

汽輪機中壓轉子冷卻過程是一個非定常過程，其流動非定常性對冷卻效果影響很大[1]。采用氣熱耦合數值模擬方法研究非定常性對中壓第一級溫度場和流場的影響，主要應從流動主蒸汽與冷卻蒸汽兩個方面進行。研究表明，在蒸汽冷卻參數與冷卻結構不變的條件下，由于靜、動葉相對位置的變化，使得進入主流道的冷卻蒸汽流量隨時間變化，這引起動葉根部及吸力面溫度場隨時間發生相應的改變[1]。以600 MW超超臨界汽輪機中壓缸為計算模型，研究主蒸汽非定常性對中壓第一級溫度場和流場的影響。

1 幾何模型和邊界條件

圖1為無蒸汽冷卻的中壓級邊界條件結構圖，為提高非定常計算速度，不考慮流體區域與固體區域的耦合換熱問題。圖1中幾何體模型中包括靜葉柵流道、動葉柵流道兩部分。計算所給定的邊界條件，與有冷卻時的情況基本相同，只是不需要對冷氣通道的流通區域進行計算和給定邊界條件。

表1給出了無冷卻結構的汽輪機中壓級非定常數值模擬的進出口邊界條件，模擬軟件為ANSYS CFX 10.0版本，在并行機上進行三維非定常數值計算。研究的汽輪機中壓第一級，全周動葉葉片數為64，靜葉葉片數為66。

圖1 蒸汽輪機中壓級邊界條件結構圖

表1 無冷卻時中壓級進出口邊界條件

數值模擬采用由ANSYS CFX 10.0提供的Redich Kwong干蒸汽介質進行計算。計算采用高精度差分格式，二階瞬態方法，收斂循環系數取值為3，湍流模型為k-epsilon模型，湍流度為中等湍流。熱傳導模型采用總溫方程，在時間間隔(t1,t2)中物體溫度從u(x,y,z,t1)變化到u(x,y,z,t2)，它所吸收的熱量為：

式中，c為比熱，ρ為密度。

動葉出口壓力值在整個出口面上進行平均，動葉旋轉速度為3000/min，動葉葉片數64。經計算，動葉柵轉過一個節距的時間為3.125×10-4s。在中壓級非定常數值模擬過程中，在一個周期(T)中平均取10個計算位置，相鄰兩個計算位置時間相差3.125×10-5s，因此在參數設定中將物理時間步長取值為3.125×10-5s。

2 結果及討論

2.1 一個周期內動葉片表面溫度分布

圖2為非定常數值計算中一個周期(T)內, 從t/T=0.0到t/T=0.8五個典型時刻動葉吸力面溫度分布云圖。無冷卻動葉表面溫度分布是否受流動非定常性影響，取決于吸力面溫度分布是否隨時間變化。[2-4]

圖2 一個周期內典型時刻動葉表面溫度分布云圖

如圖2所示，在葉頂與葉根局部區由于間隙與壁面的滯止作用，形成局部高溫區，溫度在819.8～822.4K之間。葉頂存在一個高溫區，面積不隨時間變化。葉根存在三處或二處局部高溫區，其形狀隨時間變化，但總面積變化很小。吸力面有小面積低溫區，溫度處于814.5～817.1K之間，不同時刻其形狀不同，面積變化也不大。在五個典型時刻，吸力面上其余絕大部分區域溫度均在817.1～819.8K。由此可見，無冷卻中壓第一級葉片表面溫度分布受非定常效應的影響非常小。

2.2 一個周期內流場情況

圖3給出了無冷卻情況時，從t/T=0.0到t/T=0.8五個典型時刻沿動葉葉型的靜壓分布，從圖3中可以看出，無冷卻時五個典型時刻沿動葉葉型的壓力分布曲線是重合的，說明無冷卻時流動非定常性對靜壓分布無影響。

圖3 五個典型時刻沿動葉葉型的靜壓分布

3 結 論

以600 MW超超臨界汽輪機中壓缸為計算模型,對中壓第一級進行了數值研究，研究表明：

a.主蒸汽流動的非定常性對冷卻效果、壓力場和溫度場的影響可以忽略，有冷卻時級內的冷卻效果、 壓力場和溫度場隨時間的變化， 主要是由冷卻蒸汽流動的非定常性導致的。

b.無冷卻時動葉表面溫度隨時間的變化幅度為1.3～2.4K， 與有冷卻時動葉表面溫度隨時間的變化幅度22～23K[1]相比，顯然蒸汽冷卻為動葉增大了近10倍左右的熱應力，而且此熱應力隨時間變化，對動葉造成熱沖擊，加劇動葉的損耗。很有必要根據非定常計算結果，在設計時考慮采取措施，增強動葉的安全可靠性。

[1] 呂智強，周遜，劉順隆. 超超臨界汽輪機中壓轉子冷卻的非定常數值模擬[J]. 汽輪機技術，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] 黃洪雁， 陳凱， 董平，等. 氣熱耦合多孔氣膜冷卻流動的數值研究[J]. 工程熱物理學報. 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，黃洪雁，馮國泰. 空氣冷卻渦輪葉片氣熱耦合數值計算[J]. 哈爾濱工業大學學報. 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] 陳凱， 黃洪雁， 匡云，等. 渦輪葉柵三維氣熱耦合數值模擬[J]. 節能技術. 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.

(編輯 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。

富學斌(1972—),男,工程碩士,高級工程師,主要從事汽輪機及其輔機的基建調試、性能試驗、故障分析、優化運行等工作。

TK264.1

B

2095-6843(2017)02-0170-03