超超臨界1 000 MW二次再熱低壓通流優(yōu)化

王姍吳博鐘主海杜小琴

（東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司，四川德陽，618000）

1 前言

隨著300 MW、600 MW、1 000 MW機(jī)組的大量投運(yùn)，國家大力發(fā)展超低排放燃煤發(fā)電，踐行綠色發(fā)展理念，百萬二次再熱的發(fā)展已刻不容緩。未來發(fā)展的主要道路是降低機(jī)組熱耗，提高機(jī)組效率[1]。

相對于末級葉片，公司已開發(fā)出1 200 mm、1 400 mm和1450 mm長葉片，本次低壓通流使用1 450 mm末級長葉片，排氣面積增加，可有效提高末級效率[2]。

2 百萬二次再熱低壓通流優(yōu)化

選取某百萬低壓缸，總設(shè)計(jì)為5級設(shè)計(jì)，排氣壓力3.0 kPa，低壓末級動(dòng)葉1 450 mm。本次優(yōu)化主要針對原始方案存在的問題，在保證末級和次末級動(dòng)葉不改變的基礎(chǔ)上進(jìn)行相應(yīng)優(yōu)化。

2.1 整體優(yōu)化情況概述

表1所示為整體優(yōu)化情況，原始方案基準(zhǔn)效率定義為0，YH1為對第4級靜葉進(jìn)行前掠處理，YH2為對第4級靜葉型線進(jìn)行優(yōu)化，YH3為對第4級靜葉進(jìn)行反扭處理，YH4為對第5級靜葉反扭減弱處理。綜合有效的優(yōu)化方法，最終整缸提升0.3%，預(yù)計(jì)熱耗可降低6.9 kJ/kWh。

表1 整體優(yōu)化說明

2.2 優(yōu)化分析

2.2.1 原始YS方案

圖1為純通流計(jì)算模型，計(jì)算軟件使用NUMECA，計(jì)算模型SA模型，計(jì)算工質(zhì)為可凝結(jié)水蒸氣。

圖1 純通流全三維計(jì)算模型

設(shè)置特征長度為首級葉高123 mm，特征速度為進(jìn)口近似速度85 m/s，特征密度為進(jìn)口近似密度1.5 kg/m3。出口設(shè)置為徑向平衡方程給定出口靜壓。轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，計(jì)算邊界條件見表2。

表2 CFD計(jì)算邊界條件

總總效率公式：

總靜效率公式：

式中：H表示焓值；下標(biāo)0表示總焓；下標(biāo)1表示級進(jìn)口；下標(biāo)3表示級出口；s代表等熵。

數(shù)據(jù)讀取位置：對于首級，進(jìn)口參數(shù)讀取位置為進(jìn)口邊界位置，對于末級，出口參數(shù)讀取位置為出口邊界位置，對于其他級次，參數(shù)取至交接面上游面，即前一級動(dòng)葉出口。

2.2.2 優(yōu)化方案1（YH1）

從圖2所示的靜葉能量損失系數(shù)可以看出，第4級靜葉片70%以上位置能量損失系數(shù)突然增大，考慮到可能是子午流線與葉片頂部夾角過大所致，故對第4級靜葉70%前掠處理，如圖3所示。

圖2 YS方案靜葉能量損失系數(shù)

圖3 第4級靜葉前掠子午流道示意圖

從圖4可以看出，S4前掠后，第4級總總效率提升了0.7%，故第4級前掠優(yōu)化有效果。

圖4 分級效率對比曲線

2.2.3 優(yōu)化方案2（YH2）

圖5為第4級靜葉出口馬赫數(shù)沿相對葉高分布曲線，通過自主研發(fā)TCS軟件二維計(jì)算，如圖6所示，YS第4級靜葉葉型Ma大于1.0后，能量損失系數(shù)會(huì)急劇增大，故采用VistaATBlade對相對葉高55%以下型線進(jìn)行優(yōu)化，并應(yīng)用二維程序TCS計(jì)算能量損失，初步評估優(yōu)化效果。由于第4級靜葉型線整個(gè)葉高范圍內(nèi)母型相同，為方便優(yōu)化，選取89.05 mm葉高為優(yōu)化截面為原始葉型進(jìn)行優(yōu)化，再將優(yōu)化后的型線應(yīng)用到55%以下葉高范圍內(nèi)，同時(shí)保證各個(gè)截面弦長和喉寬等幾何參數(shù)與原始葉型相同。

圖5 YS第4級靜葉出口馬赫數(shù)分布曲線

圖6 優(yōu)化型線和原始型線TCS計(jì)算能量損失系數(shù)隨Ma變化曲線

圖7給出了優(yōu)化前后型線對比圖，可以看出，與原始葉型相比，優(yōu)化后葉型壓力面變化較小，吸力面相對變化較大，前半部分型面更拱，后半靠近尾緣部分更接近直線，有效減小了汽流折轉(zhuǎn)角，如圖8圖所示，有效減小了喉部下游斜切段葉型背弧的膨脹度和背弧上的最大馬赫數(shù)，降低了激波強(qiáng)度。

圖7 優(yōu)化型線與原始型線截面對比圖

圖8 原始葉型和優(yōu)化葉型Ma分布圖

為進(jìn)一步驗(yàn)證優(yōu)化葉型，以該優(yōu)化葉型作為母型，應(yīng)用到55%以下葉高，同時(shí)保證各個(gè)截面弦長，喉寬等幾何參數(shù)與原始設(shè)計(jì)相同，將該新設(shè)葉片應(yīng)用到整缸環(huán)境進(jìn)行三維CFD計(jì)算，即YH2，如圖9所示，與YH1相比，替換優(yōu)化靜葉后，第4級靜葉能量損失系數(shù)明顯降低，第4級級效率提高0.8%，整缸總效率提升0.036%，說明優(yōu)化效果明顯。

圖9 優(yōu)化與原始第4級靜葉能損沿葉高對比曲線

2.2.4 優(yōu)化方案3（YH3）

如圖10所示，第4級根部反動(dòng)度偏低，故對第4級靜葉片進(jìn)行反扭（在YH2第4級靜葉型線優(yōu)化的基礎(chǔ)上）處理，出口幾何角對比如圖11所示。

圖10 原始反動(dòng)度沿葉高分布圖

圖11 S4反扭與原始出口幾何角對比圖

通過CFD三維計(jì)算：

YH3第4級根部反動(dòng)度約17%，如圖12所示，較合理；

圖12 原始與優(yōu)化第四級反動(dòng)度沿葉高分布圖

YH3次末級效率比YH2次末級總總效率提升0.3%，說明對S4進(jìn)行反扭方法有效。

2.2.5 優(yōu)化方案4（YH4）

考慮到Y(jié)S方案，第5級靜葉為了提高根部反動(dòng)度，降低頂部反動(dòng)度，使得頂部幾何角較小，只有10.72°，嘗試對第5級靜葉反扭減弱處理，末級靜葉反扭減弱出口角與原始對比如圖13所示。

圖13 末級靜葉反扭減弱出口角與原始對比圖

S5反扭減弱后，末級反動(dòng)度沿葉高對比曲線如圖14所示，末級靜葉能量損失系數(shù)隨葉高變化如圖15所示。

圖14 末級反動(dòng)度沿葉高對比曲線

圖15 末級靜葉能量損失系數(shù)隨葉高變化曲線

從圖14～15可以看出，S5反扭減弱后：

●根部反動(dòng)度降低，頂部反動(dòng)度升高；

●根部能損增大，頂部能損減小；

●第5級總總效率提升0.184%，總靜效率提升0.183%，整缸效率有微弱提升，第5級靜葉反扭減弱有效果。

2.2.6 優(yōu)化方案整合結(jié)果

將YH1至YH4中有效優(yōu)化方法全部使用，并調(diào)整焓降分配，即ZTYH方案。從圖16可以看出，第4級總總效率提升1.372%，末級總效率提升0.302%，整缸效率提升0.3%。

圖16 整體優(yōu)化結(jié)果與原始分級效率對比曲線

3 結(jié)論

對某百萬二次再熱低壓缸通流采用靜葉第4級前掠、反扭、型線優(yōu)化，靜葉第5級反扭減弱，第4級總總效率提升1.372%，末級總效率提升0.302%，整缸效率提升0.3%。