350MW抽風(fēng)式空冷汽輪發(fā)電機(jī)軸流風(fēng)扇性能研究

王 海，劉 雙，安志華，秦光宇，劉平超，朱志佳，梁 彬

（哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱150040）

0 前言

汽輪發(fā)電機(jī)在300MW以上通常采用定子水冷的方式，但采用水冷冷卻方式時(shí)，一方面，發(fā)電機(jī)需要一套水處理系統(tǒng)，另一方面，故障發(fā)生率較空冷機(jī)組大。為研發(fā)出超大容量空冷汽輪發(fā)電機(jī)，同時(shí)保證定轉(zhuǎn)子溫升在合理范圍內(nèi)，設(shè)計(jì)將軸流風(fēng)扇由壓入式改成抽風(fēng)式，這樣可以使風(fēng)扇產(chǎn)生的氣動(dòng)摩擦損耗不被直接引入到電機(jī)內(nèi)部，而是將這部分損耗送至冷卻器，之后通過設(shè)計(jì)更大冷卻能力的空冷器來保證進(jìn)入電機(jī)內(nèi)的空氣溫度，達(dá)到提高汽輪發(fā)電機(jī)容量的目的［1－5］。

在抽風(fēng)式空冷汽輪發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)中，軸流風(fēng)扇是機(jī)組的關(guān)鍵部件，其性能的優(yōu)劣直接影響到汽輪發(fā)電機(jī)的性能和發(fā)電機(jī)功率。

近些年，CFD技術(shù)在空氣動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域異軍突起，日趨成熟，在各類風(fēng)扇的研制和性能評估中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用［6］，強(qiáng)冠杰等采用流場試驗(yàn)和數(shù)值仿真研究了風(fēng)扇失速起始特征及誘因［7］，胡磊等對1100MW水氫氫汽輪發(fā)電機(jī)多級風(fēng)扇動(dòng)葉進(jìn)行了改型數(shù)值研究［8］，李景銀等研究了帶有前后導(dǎo)葉的可逆軸流風(fēng)機(jī)［9］。CFD技術(shù)不但可以降低成本，縮短研發(fā)周期，而且還能排除由試驗(yàn)產(chǎn)生的干擾，多方面、多角度地獲得流動(dòng)和傳熱細(xì)節(jié)，更易發(fā)現(xiàn)問題，利于提出解決措施。

1 試驗(yàn)測定

汽輪發(fā)電機(jī)單側(cè)風(fēng)扇座環(huán)上安裝了32個(gè)扇葉，安裝角為 29.2°，葉尖間隙 2mm，輪轂直徑Φ1118mm，實(shí)際安裝情況如圖1所示。

圖1 風(fēng)扇實(shí)際安裝圖

在試驗(yàn)過程中，測試內(nèi)容包括發(fā)電機(jī)總風(fēng)量，風(fēng)扇前后的風(fēng)壓與風(fēng)溫［10］。

機(jī)組的總風(fēng)量的測量采用中速風(fēng)表 （測量范圍0.5～10m／s），通過連接線將風(fēng)表與顯示測定設(shè)備連接，如圖2所示。

圖2 風(fēng)量測量設(shè)備

中速風(fēng)表需使用挾持工具固定在每個(gè)空冷器的進(jìn)風(fēng)位置，4個(gè)空冷器共8塊風(fēng)速儀，具體測試元件布置如圖3所示。

圖3 冷卻器風(fēng)速儀布置圖

風(fēng)扇前后的壓力需經(jīng)引風(fēng)管，使用測壓儀 （testo 512）進(jìn)行測定。

風(fēng)扇前后風(fēng)溫使用PT100溫度傳感器 （±0.15℃偏差）測量，將其與引風(fēng)管綁定在一起，通過萬用表測取阻值推算風(fēng)溫。引風(fēng)管安裝示意位置如圖4所示。

圖4 引風(fēng)管安裝示意圖

為盡量排除各種因素對風(fēng)扇前后測量的影響，空冷350MW汽輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行過程中要達(dá)到熱穩(wěn)定。試驗(yàn)在轉(zhuǎn)速為3000r／min的空轉(zhuǎn)工況下進(jìn)行，試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 空冷350MW汽輪發(fā)電機(jī)空轉(zhuǎn)運(yùn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2 數(shù)值仿真分析

2.1 計(jì)算方法與氣動(dòng)模型

高質(zhì)量的網(wǎng)格和合理的網(wǎng)格數(shù)量是保證數(shù)值仿真有效性的前提條件［11］。軸流風(fēng)扇扇葉幾何模型如圖5所示。

圖5 軸流風(fēng)扇扇葉幾何模型

該扇葉采用全六面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，參考雷諾數(shù)Re為1.55×106，近壁面Y＋值取15，并在相同邊界條件和保證網(wǎng)格質(zhì)量的前提下，以每次增加2倍網(wǎng)格數(shù)量所獲得的計(jì)算結(jié)果，進(jìn)行網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證。單個(gè)扇葉網(wǎng)格信息數(shù)據(jù)見表2，當(dāng)網(wǎng)格單元數(shù)達(dá)到133萬時(shí)，靜壓效率和出口溫度數(shù)值已基本不變。具體網(wǎng)格劃分情況如圖6所示。

表2 網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證

圖6 扇葉網(wǎng)格劃分情況

湍流模型采用SST模型，收斂精度1×10－5，同時(shí)監(jiān)控出口溫度、進(jìn)出口質(zhì)量流量［12］。當(dāng)仿真過程達(dá)到收斂精度，同時(shí)出口溫度穩(wěn)定，進(jìn)出口質(zhì)量流量相同時(shí)，認(rèn)為已達(dá)到收斂狀態(tài)。

控制方程為N-S方程。在三維笛卡爾坐標(biāo)系中，其守恒形式為：

其中，t為時(shí)間；Q為守恒變量矢量；F、G和H為無黏通矢量；Fv、Gv和Hv為黏性通矢量。

2.2 邊界條件

邊界條件根據(jù)廠內(nèi)真機(jī)試驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)給定。風(fēng)扇進(jìn)口給定質(zhì)量流量 55.775kg／s、氣體溫度31.29℃；出口給定絕對靜壓102.335kPa；壁面為無滑移邊界，采用絕熱。流體介質(zhì)為理想空氣（考慮可壓縮）［13］。汽輪發(fā)電機(jī)軸流風(fēng)扇安裝到轉(zhuǎn)子主軸兩端，轉(zhuǎn)速 3000r／min。

3 數(shù)值計(jì)算分析

汽輪發(fā)電機(jī)初期設(shè)計(jì)過程中，在確定了軸流風(fēng)扇葉型，保證了葉尖間隙后，安裝角和葉片數(shù)是影響軸流風(fēng)扇性能的兩個(gè)重要參數(shù)，本文對這兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)分析。

3.1 試驗(yàn)與數(shù)值仿真結(jié)果對比

試驗(yàn)測量的風(fēng)扇出口溫度為43.625℃，CFD仿真計(jì)算溫度為43.504℃，兩者相差0.121℃，在PT100的精度范圍內(nèi)，可以認(rèn)為仿真是有效的。

3.2 不同安裝角對風(fēng)扇性能的影響

汽輪發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過程中，對風(fēng)扇安裝角29.2°和31.2°進(jìn)行了實(shí)際運(yùn)行。根據(jù)運(yùn)行需求，對這兩個(gè)安裝角在不同質(zhì)量流量下的風(fēng)扇性能進(jìn)行評估分析，得到不同質(zhì)量流量下的軸流風(fēng)扇的靜壓效率、總壓升和進(jìn)出口溫差曲線（質(zhì)量流量下限計(jì)算到軸流風(fēng)扇出口出現(xiàn)回流為止）如圖7～9所示。

圖7 不同質(zhì)量流量下的軸流風(fēng)扇的靜壓效率曲線

從圖7中可以看出，29.2°和31.2°風(fēng)扇安裝角隨著入口質(zhì)量流量的增加，靜壓效率都呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢，在＜1時(shí)，安裝角29.2°靜壓效率高；在＞1時(shí)，安裝角31.2°靜壓效率高。并且在相同的背壓情況下，安裝角29.2°可以在更大范圍的質(zhì)量流量下工作而沒有回流，而安裝角31.2°工作范圍較小，但適合質(zhì)量流量較高的工況。

根據(jù)圖8、圖9，可以分析得出，在工作范圍內(nèi)，相同的質(zhì)量流量，安裝角31.2°的總壓升和進(jìn)出口溫差比安裝角29.2°的要高。

圖8 不同質(zhì)量流量下的軸流風(fēng)扇的總壓升曲線

圖9 不同質(zhì)量流量下的軸流風(fēng)扇的進(jìn)出口溫差曲線

當(dāng)質(zhì)量流量為54kg／s時(shí)，安裝角31.2°的總壓升比安裝角 29.2°的高 1277.8Pa，進(jìn)出口溫差高1.267℃；當(dāng)質(zhì)量流量為60kg／s時(shí)，安裝角31.2°的總壓升比安裝角29.2°的高2033.8Pa，進(jìn)出口溫差高1.893℃。

從圖10可以看出，安裝角31.2°的葉片表面流速更高，這說明對空氣做功能力更強(qiáng)，產(chǎn)生的壓升更高；另外在葉尖處，兩個(gè)安裝角都會(huì)出現(xiàn)葉尖渦［14］，而且安裝角31.2°的葉片還會(huì)在迎風(fēng)面的根部尾跡區(qū)域，明顯出現(xiàn)流動(dòng)分離，產(chǎn)生回流，這會(huì)增加氣動(dòng)摩擦，產(chǎn)生能量損失［15，16］。

圖10 風(fēng)葉表面流線分布

雖然安裝角31.2°的扇葉會(huì)產(chǎn)生更多的空氣溫升，但這些能量并不會(huì)被直接帶入到汽輪發(fā)電機(jī)機(jī)體內(nèi)部，而是經(jīng)導(dǎo)風(fēng)通道，匯入汽輪機(jī)下方空冷器，所以只要空冷器有足夠的冷卻能力，就不會(huì)導(dǎo)致進(jìn)入汽輪發(fā)電機(jī)內(nèi)的空氣溫度過高，影響機(jī)組運(yùn)行。

綜上，如果風(fēng)扇背壓允許，可盡量采用安裝角31.2°的葉片，并適當(dāng)增大空冷器的冷卻能力［17］。

3.3 不同葉片數(shù)對風(fēng)扇性能的影響

安裝角29.2°時(shí)，不同葉片數(shù)對總壓升與進(jìn)出口溫差的影響如圖11所示。在圖中，隨著葉片數(shù)的增加，總壓升和進(jìn)出口溫差都呈線性增加。具體情況為，葉片數(shù)從27增加到35，總壓升增加了393.8Pa，進(jìn)出口溫差提高0.437℃，但相比于改變安裝角，總壓升和進(jìn)出口溫差的變化并不大。

圖11 安裝角29.2°時(shí)，不同葉片數(shù)對壓升與溫升的影響

4 結(jié)論

本文根據(jù)350MW抽風(fēng)式汽輪發(fā)電機(jī)試驗(yàn)風(fēng)扇數(shù)據(jù)，建立三維模型，進(jìn)行了葉片數(shù)值計(jì)算，其間進(jìn)行了網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證，保證了計(jì)算的精度，并且與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，驗(yàn)證了其有效性。

針對葉片初期設(shè)計(jì)參數(shù)安裝角和葉片數(shù)，進(jìn)行了風(fēng)扇特性分析，得到如下結(jié)論：

（1）安裝角31.2°的葉片的工作范圍比安裝角29.2°的要小，但在較大質(zhì)量流量下，安裝角31.2°的葉片的靜壓效率要高，同樣的，會(huì)產(chǎn)生更大的進(jìn)出口溫差。由于汽輪發(fā)電機(jī)采用抽風(fēng)式結(jié)構(gòu)，更大的進(jìn)出口溫差也不會(huì)被直接帶入到電機(jī)內(nèi)部，而是要先經(jīng)過空冷器，這也是抽風(fēng)式汽輪發(fā)電機(jī)的主要優(yōu)勢之一。

（2）安裝角29.2°和31.2°的葉片在葉尖處都會(huì)產(chǎn)生葉尖渦，并且安裝角31.2°的葉片還會(huì)在迎風(fēng)面葉根處出現(xiàn)流動(dòng)分離，產(chǎn)生耗散。

（3）風(fēng)扇葉片數(shù)不能過少，以免出現(xiàn)回流。風(fēng)扇葉片的增加，對靜壓效率的影響不大，對總壓升和進(jìn)出口溫差呈線性影響，但變化幅度相比安裝角并不大。

綜上所述，對于350MW抽風(fēng)式空冷汽輪發(fā)電機(jī)風(fēng)扇，在保證風(fēng)扇數(shù)足夠的情況下，電機(jī)風(fēng)量較大時(shí)，可采用風(fēng)扇安裝角31.2°，同時(shí)適當(dāng)提高空冷器冷卻能力；在電機(jī)風(fēng)量較少時(shí)，采用安裝角29.2°。