超超臨界1 000 MW二次再熱低壓通流優化

王姍吳博鐘主海杜小琴

（東方電氣集團東方汽輪機有限公司，四川德陽，618000）

1 前言

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

相對于末級葉片，公司已開發出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化

選取某百萬低壓缸，總設計為5級設計，排氣壓力3.0 kPa，低壓末級動葉1 450 mm。本次優化主要針對原始方案存在的問題，在保證末級和次末級動葉不改變的基礎上進行相應優化。

2.1 整體優化情況概述

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

表1 整體優化說明

2.2 優化分析

2.2.1 原始YS方案

圖1為純通流計算模型，計算軟件使用NUMECA，計算模型SA模型，計算工質為可凝結水蒸氣。

圖1 純通流全三維計算模型

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

表2 CFD計算邊界條件

總總效率公式：

總靜效率公式：

式中：H表示焓值；下標0表示總焓；下標1表示級進口；下標3表示級出口；s代表等熵。

數據讀取位置：對于首級，進口參數讀取位置為進口邊界位置，對于末級，出口參數讀取位置為出口邊界位置，對于其他級次，參數取至交接面上游面，即前一級動葉出口。

2.2.2 優化方案1（YH1）

從圖2所示的靜葉能量損失系數可以看出，第4級靜葉片70%以上位置能量損失系數突然增大，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

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級前掠優化有效果。

圖4 分級效率對比曲線

2.2.3 優化方案2（YH2）

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

圖5 YS第4級靜葉出口馬赫數分布曲線

圖6 優化型線和原始型線TCS計算能量損失系數隨Ma變化曲線

圖7給出了優化前后型線對比圖，可以看出，與原始葉型相比，優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，降低了激波強度。

圖7 優化型線與原始型線截面對比圖

圖8 原始葉型和優化葉型Ma分布圖

為進一步驗證優化葉型，以該優化葉型作為母型，應用到55%以下葉高，同時保證各個截面弦長，喉寬等幾何參數與原始設計相同，將該新設葉片應用到整缸環境進行三維CFD計算，即YH2，如圖9所示，與YH1相比，替換優化靜葉后，第4級靜葉能量損失系數明顯降低，第4級級效率提高0.8%，整缸總效率提升0.036%，說明優化效果明顯。

圖9 優化與原始第4級靜葉能損沿葉高對比曲線

2.2.4 優化方案3（YH3）

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

圖10 原始反動度沿葉高分布圖

圖11 S4反扭與原始出口幾何角對比圖

通過CFD三維計算：

YH3第4級根部反動度約17%，如圖12所示，較合理；

圖12 原始與優化第四級反動度沿葉高分布圖

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

2.2.5 優化方案4（YH4）

考慮到YS方案，第5級靜葉為了提高根部反動度，降低頂部反動度，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，末級反動度沿葉高對比曲線如圖14所示，末級靜葉能量損失系數隨葉高變化如圖15所示。

圖14 末級反動度沿葉高對比曲線

圖15 末級靜葉能量損失系數隨葉高變化曲線

從圖14～15可以看出，S5反扭減弱后：

●根部反動度降低，頂部反動度升高；

●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 優化方案整合結果

將YH1至YH4中有效優化方法全部使用，并調整焓降分配，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 整體優化結果與原始分級效率對比曲線

3 結論

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%。