根部漏汽對輪盤壓力分布的影響

賀偉，何磊

(東方汽輪機有限公司，四川 德陽，618000)

根部漏汽對輪盤壓力分布的影響

賀偉，何磊

(東方汽輪機有限公司，四川 德陽，618000)

文章通過CFD三維氣動模擬，計算了某典型高壓級次通流不同隔板汽封間隙、動葉根部齒間隙、輪盤漏汽間隙下，輪盤上進出汽側的壓力分布。比較了各位置漏汽間隙變化對輪盤上壓差的影響。結果表明，不同的隔板漏汽，輪盤漏汽面積對輪盤上壓差存在較大影響，將導致輪盤上推力產生較大變化。動葉通流根部少量抽吸不僅有利于通流的經濟性提升，而且有利于降低輪盤上的推力水平。

漏汽，輪盤，壓力分布，反動度，軸向推力

Abstract：Through the CFD three-dimensional pneumatic,This article calculates the pressure distribution of one typical HP stage flow with different diaphragm seal gap,root gap,and disc gap．The influence of the change of root leakage on the differential pressure of the disc is then compared．The results shows that different diaphragm leakage and disc leakage have an obvious impact on the disc differetial pressure,then which results in greater changes in the disc axial thrust．A little extraction from the root position of main steam flow will help not only improving the flow efficiency,but also reducing the axial thrust on the disc．

Key words：leakage,disc,pressure distribution,reaction degree,axial thrust

0 引言

隔板-葉輪是沖動式汽輪機的特有結構。一方面，隔板汽封環形漏汽區域處于相對較低的直徑上，在同樣間隙水平下，可以減小隔板汽封的漏汽量；另一方面，輪盤上較大的進出汽側面積產生的軸向推力在單級總推力中占有相當大的比重。

為了避免動靜干涉，保證轉子運行時的穩定性，隔板汽封一般都設計有足夠的徑向間隙，在壓差的作用下，隔板汽封漏汽量是必然存在的。有計算表明，當高壓隔板汽封間隙為0．5 mm，汽封型式為側齒和高低齒時，其漏汽量占級流量的比例分別為 0．87%和 1．03%[1]。 隔板汽封漏汽量進入靜動葉之間腔室后，如果有部分漏汽從動葉前進入主流，由于摻混損失及對靠近根部動葉攻角的影響，將會導致級效率明顯下降。在一定漏汽量范圍內，隔板汽封漏汽量相對主流量每增加1%， 級效率將下降 1．5%～1．7%[2]。 考慮到級效率最佳，理想情況應是級內靜動之間有少量流量從主流向根部腔室流出。即級間葉根不抽不漏或少量漏汽為最佳[3]。為此，葉輪上應設置有足夠的漏汽面積，滿足隔板漏汽量全部通過。一般葉輪上漏汽面積表現為平衡孔或樅樹形葉根與輪緣間的非工作面間隙。但是，葉輪上漏汽面積又不宜過大，否則會造成本級主流量損失過多及下游主流道通流效率下降。

除了經濟性方面的影響，葉輪輪盤漏汽量、隔板汽封漏汽量、動葉前根部主流漏汽量之間相對大小的變化將導致輪盤前后腔室壓力隨之發生變化。反映到輪盤上，將導致進出汽側盤面上壓力分布的變化，進而輪盤上軸向推力將發生變化。

本文通過三維CFD模擬了級環境下輪盤前后腔室內流動，分析了隔板漏汽、輪盤漏汽、動葉根部漏汽量的相對變化對葉輪輪盤上壓力分布、壓力反動度以及輪盤上推力的影響。

1 計算模型

如圖1所示，計算對象取某600 MW等級超臨界機組的高壓級段，模型共包含3級靜、動葉流道，及第2級根部隔板漏汽 （位置A）、動葉前根部漏汽 （位置B）、輪盤漏汽 （位置C）。三處環形漏汽面積主要模擬不同的漏汽量，不考慮其詳細的汽封結構。三處漏汽位置的徑向間隙分別為s1、 s2、 s3， 三處漏汽幾何截面積分別為 A1、 A2、A3， 三處漏汽位置的流量系數分別為 μ1、 μ2、 μ3。流量系數的計算方法如式（1）所示[4]。

式中：G為汽封漏汽量；F為漏汽幾何面積；π 為壓比，π＝P2／P0；P2為汽封出口靜壓； P0為汽封入口總壓；Z為有效汽封齒數；ρ0為汽封入口蒸汽密度。

圖1 計算模型示意圖

2 數值計算方法及邊界條件

采用商業氣動軟件Numeca的FINE/Turbo進行計算。網格劃分采用自帶的AutoGrid5進行。葉型周圍流動區域采用默認的O4H拓撲結構。根部汽封通過ZR EFFECT效應來模擬，其與主流道之間為完全匹配連接。各個算例網格質量：正交性>21°，長寬比<4.2。第1層網格尺度為0.001 mm，單排葉柵網格數量約為50萬，葉根汽封網格數量約為260萬。

各個算例通過調整葉根漏汽的三處間隙處漏汽面積的大小來控制漏汽量。其進出口條件保持一致，如表1所示。計算工質為水蒸汽，數值求解粘性Navier-Stokes方程，湍流模型采用Spalart-Allmaras。為了加速收斂，計算中應用了多重網格技術。各算例迭代了約8 000步，級段效率、流量、殘差收斂。

表1 計算熱力邊界條件

3 根部各位置漏汽對輪盤上壓力分布的影響

計算分析模型如圖1所示，后面的分析主要針對其中的第2級、第1級和第3級結構，主要是為了提供較為準確的通流進出口邊界。

當動葉前根部漏汽間隙s2、輪盤漏汽間隙s3保持不變，隔板漏汽間隙s1變化時，葉輪前后壓力分布的變化對比如圖2所示。其中，橫坐標Z代表徑向從輪盤根部一直到本級動葉通流頂部。圖2上方一組曲線代表了進汽側壓力分布，下方一組代表出汽側。結果反應出：當隔板漏汽間隙增加時，本級輪盤進汽側壓力明顯逐步升高，本級輪盤出汽側壓力也會有所升高，但是變化非常小。總體來說，隨著隔板漏汽間隙增大，輪盤上壓差明顯升高。這主要是隨著間隙增大，其節流作用下降所致。

圖2 不同隔板漏汽間隙對輪盤前后壓力分布的影響

圖3中結果為保持隔板漏汽間隙s1、輪盤漏汽間隙s3不變，動葉根部漏汽間隙變化對本級輪盤前后壓力分布的影響。從比較結果可見，當葉根處漏汽間隙增加，從主流根部抽出的流量略有增加，導致輪盤進汽側壓力分布升高，但升高數值非常小。隨著s2的增加，輪盤上壓差略有升高。這是葉根處間隙設計值本身偏大，其節流作用較弱引起的。

圖3 不同葉根漏汽間隙對輪盤前后壓力分布的影響

保持s1、s2不變，當輪盤漏汽間隙變化時，輪盤前后表面壓力分布如圖4所示。當葉輪漏汽面積增大時，葉輪進汽側表面壓力明顯降低。這可理解為葉輪漏汽面積的泄壓作用增強。同時，當葉輪漏汽面積偏小時，輪盤進汽側表面壓力升高甚至高于通流根部壓力。此時，隔板漏汽中一部分從動葉前根部進入主流。在極限情況下，輪盤上不存在漏汽面積。此時由于壓差的作用，必然存在輪盤前流量進入主流，帶來相應的氣動損失。另一方面，此時輪盤前后存在較大的壓差，軸向推力將處于較高水平。文獻[2]中對平衡孔的研究表明:無平衡孔時根部反動度最高，隨著平衡孔面積增大，根部反動度逐漸減小并在一定面積時趨于常量。該結論與上面的分析結果是一致的。

圖4 不同輪盤漏汽間隙對輪盤前后壓力分布的影響

由圖2～4可見，由于葉根處漏汽間隙數值相對較大，其間隙變化對輪盤前后的壓差影響較小，輪盤上壓差水平主要受隔板漏汽間隙s1和輪盤漏汽間隙s3相對大小影響。此關系可以決定動葉根部流動方向。

定義Ks=A3/A1，兩處間隙漏汽量比例Km=m1/m3，整理上面算例中的計算結果，如表2所示。其中流量系數通過式（1）得到。根據本算例結果，當Ks約為3時，隔板漏汽主要從輪盤漏汽流走，動葉根部從主流有少量抽吸。當輪盤漏汽間隙流量系數增大時，該比值將有所下降。當μ3為1．0，Ks約為2時，動葉根部為少量抽吸狀態。此狀態有利于通流經濟性的提升，并使輪盤推力不至于太大，有助于降低轉子推力設計的難度。

表2 Ks變化對Km的影響

4 結論通過選取典型通流級段，進行葉根各個位置不同漏汽面積的氣動分析比較，結果表明：

（1）輪盤前后的壓力水平主要取決于輪盤漏汽面積與隔板漏汽面積的相對大小，動葉通流根部的漏汽面積影響較小；

（2）通過合理設計使得隔板漏汽主要從輪盤漏汽面積流走，并在主流根部存在少量抽吸，不僅有利于提升通流的經濟性，還有利于減少輪盤推力水平。

（3）考慮到不同漏汽結構流量系數的差異，根據本文算例結果，輪盤漏汽面積需在隔板漏汽面積的2～3倍時，可保證動葉通流根部的少量抽吸狀態。

[1]馬飛育,劉網扣,譚旭.帶隔板汽封結構對透平級流動影響的數值模擬[J].電力建設,2011,32(4):63-65.

[2]劉網扣,張兆鶴,崔琦,等.沖動式汽輪機級平衡孔面積對級性能影響的研究[J].動力工程學報,2011,31(8):575-578.

[3]梁小兵,馮增國,孔祥林,等.汽輪機級間吸漏氣量對級性能影響的研究[J].東方電氣評論,2008,22(86):7-9.

[4]崔琦,張兆鶴,周英,等.汽輪機汽封漏汽的試驗研究[J].熱力透平,2010,39(1):26-30.

Influence of Root Leakage on Pressure Distribution on Turbine Disc

He Wei，He Lei
（Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

TK262

A

1674-9987（2017）03-0016-03

10．13808/j．cnki．issn1674-9987．2017．03．004

賀偉 （1982-），男，工程師，本科，畢業于西安交通大學，現主要從事汽輪機通流設計工作。