给水泵汽轮机流场的数值模拟.pdf

第 3 9卷第 2期 2 0 1 0年 6月 热力透 平 THERM AL TURBI NE Vo 1 3 9 No 2 J u n2 01 0 给 水 泵 汽轮机 流场 的数 值模 拟 徐芬 ， 彭泽瑛 ( 上海电气电站设备有限公 司汽轮机厂 ， 上海 2 0 0 2 4 0 ) 摘 要 ： 介 绍了采 用 NUME C A的 F i n e Tu r b o软件对超超临界 1 0 0 0 MW 机组给水泵汽轮 机的三维复杂流动 进行 了变工况数值模拟 ， 具体 分析 了 3个典型工况下的反动度 、 攻 角以及效率等的变化情 况。计算分析表 明， 进汽参数和转速 对流场的 气动特性影响较 大。同时 ， 3个不 同转速及 负荷 工况下末级叶 片的流场数据 为进 一 步 的叶 型 优 化提 供 了依 据 。 关 键 词 ： 给 水 泵 汽轮 机 ； 变工 况 ； 气动 ； 数 值 模 拟 中图分类号 ： T K2 6 2 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 6 7 2 5 5 4 9 2 0 1 0 ) O 2 一O 1 3 O O 4 Nu m e r i c a l S i m u l a t i o n o f Fl o w Fi e l d f o r BFPT X U Fe n， PENG Ze yi n g ( Sh a n g h a i E l e c t r i c P o we r G e n e r a t io n E q u i p me n t C o ，L t dSh a n g h a i T u r b i n e P l a n t ，S h a n g h a i 2 0 0 2 4 0，Ch i n a ) Ab s t r a c t ：Th e n u me r i c a l s i mu l a t i o n u n d e r t h e o f f d e s i g n o p e r a t i o n o f B F PT i s c a r r i e d o u t b y a p p l y i n g F i n e Tu r b o o f t h e Nu me c a s o f t wa r e f o r t h e u l t r a s u p e r c r i t i c a l I O 0 0 M W u n i t ，a n d t h e r e a c t i o n，i n c i d e n c e a n g l e a n d e f f i c i e n c y i n t h r e e t y p i c a l c o n d i t i o n s a r e a n a l y z e d i n d e t a i l Th e c o mp u t a t i o n a l r e s u l t s d e mo n s t r a t e t h a t t h e r e i s m u c h e f f e c t o f i n l e t p a r a me t e r a n d s p e e d o n a e r o d y n a mi c c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e f l o w f i e l d 。a n d t h e f l o w d a t a wi t h t hr e e t y pe s of s pe e d a nd l oa d c o ndi t i on s a r e s u pp l i e d f or f ur t he r op t i mi z a t i on of b l a d e s Ke y wo r d s ： B FP T；o f f - d e s i g n c o n d i t i o n；a e r o d y n a mi c s ； n u me r i c a l s i mu l a t i o n 合 理利用 能源 以及节 能减排 是 当今 世界解 决 能源 问题 的主要手段 ， 现代 汽轮机 在 向大 功率 、 高 效率 的方 向发 展 。给水泵 汽轮机 作为大 功率 汽轮 发 电机 组不 可缺 少 的重 要 辅 助设 备 ， 为 了适 应 激 烈的市场竞争 ， 必然具有更高效率 、 更高安全性及 更高运行灵活性的特性。由于给水泵汽轮机的进 汽参数 和 运 行 转 速 随 主 机 变 负 荷 运 行 工 况 而 变 化 ， 因而 ， 在产 品 的气 动设计 开发 中必须 充分关 注 复杂变 化 的流动状况对 机组性 能 的影响 。 汽轮机气动设计的任务是根据热平衡计算提 供的初始和终端参数， 在满足出力 的要求下进行 通流部 分设计 ： 确定流 量 、 叶片尺寸 、 级数 、 合 适 的 焓 降分 配 、 轴 向排 汽 速度 等 几何 和物 理 参数 。汽 轮机 内部 的流 动 相 当复 杂 ， 在早 期 的设 计 过程 中 以一元流 动为 主 ， 这种 方 法 不能 准确 地 描 述汽 轮 机 内部 流场 的真实情况 。随着 计算机技 术及 计算 气动力学等相关学科 的发展， 汽轮机气动设计技 术 ， 包括计算方法、 设计准则、 设计规范等都在不 断更新 。三 维数值模 拟计算 作 为研究 流体流 动规 律 的一种有 效 途径 ， 为 汽 轮机 的通 流设 计 提供 了 新 的 技 术 平 台。 本 文 采 用 Nu me c a 的 F i n e Tu r b o软件 对某 百万超 超临界 机组用 给 水泵 汽轮 机通 流部分 的压力级 共 五级十排 叶片进 行 了变工 况三维粘性数值模拟， 得到了不同工况下叶栅 内 部流场的流动细节 ， 着重分析了末级动叶在 3种 典型 工况下 的 流场 特 点 ， 计 算 得 到 的不 同工况 下 叶片所 受的气 动载荷 参数 ， 为叶 片 、 叶轮 的强度 分 析提供 了更 为精确 的依据 。 1 分析 方 法 1 1 数 值模 型 在生成计算 网格 之前 ， 首先需要确定计算区 域 ， 然后对整个计算域 内的流场进行 网格划分 。 本 文对 给水泵 汽轮机 除调节 级之外 的全部 压力 级 共五级十排 叶片进行数值模拟 ， 计算域起始于调 收稿 日期 ： 2 0 0 9 1 0 2 0 修订 日期 ： 2 0 1 0 一O 1 0 4 作者简介 ： 徐芬 ( 1 9 8 1 一) ， 女， 毕业于上海交通大学动力机械及工程专业 ， 硕士研究生 ， 工 程师 ， 从事汽轮机通流及叶片设计工作。 - _ 圜一 薯蓊 鏊 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 给水泵汽轮机流场的数值模拟 热力透平 节级末端 、 压 力级 进 口处 ， 计 算域 末端 到末 级动 叶 的 出 口处 ， 为 了获 得稳 定 的流场 ， 分别 对计 算域 的 前 后端作 了适 当的延长 处理 。 采用 Nu me c a 软件 中的 Au t o Gr i d 5模块 生 成 各 排 叶片 的计 算 网格 ， 由于 末 三 级 动 叶扭 转 比较 大 ， 为 了获得 高质 量 的 网格 ， 直 接采 用 Au t o Gr i d 5 默认 的拓 扑 结 构 ， 叶 栅 块 采 用 O 型 网 格 ， B l a d e t o B l a d e网格 结构 如 图 1所 示 。壁 面第 一层 网格 尺寸为 0 0 1 mm， 沿 叶高方 向 的网格 数为 4 1 ， 网格 总数约 为 1 6 0万 。由 于轴 封 补 汽 量 非 常 小 ， 小 于 主蒸汽 流量 的 千分 之 三 ， 忽 略 补 汽 对 整个 通 流 部 分 流场 的影 响很 小 ， 为此 ， 与真 实 的结 构 相 比， 计 算 网格 中忽 略 了 向通 道 内补 入 的轴 封 漏 汽 ， 计 算 区域及单 通道 的计 算 网格如 图 2所示 。 图 t叶栅网格 图 2单 通 道 计 算 网格 1 2 数值 方法 数 值 模 拟 基 于 Nu me c a 软 件 中 的 F i n e Tu r b o 模 块 ， 采用 结构 化 网格 ， 求解 三 维定 常 雷诺 平均 的 N S方 程 组 。应 用 有 限 体 积 法 ， 空 间 差 分采 用 二 阶 中一 1 2 , 差分 J a me s o n格 式 ， 时 间项 采 用 四阶 R u n g e Ku t t a 法 迭 代 求 解 1 ， 湍 流模 型采 用 S p a l a r t Al l a ma r a s一 方 程 模 型 。C F L数 等 于 3 ， 动静 交接 面采 用 混 合 平 面方 法 ， 计 算 采 用 多 重 网 格 ， 结合 变时 间 步 长 以及 残 差 光 顺 方 法 加 速 收 敛速度。当残差下降 3 个数量级并且基本保持不 变l_ 3 ， 进出 口流量误差在 0 5 以内认 为计算 已 经 收敛 。 1 3 边界 条件 针 对给 水泵 汽 轮 机 运行 的特 点 ， 为 了分 析 给 水 泵 汽轮机 的变 工况 通 流 特 性 ， 本 文 分 别对 低 转 速工况、 铭牌工况和高转速工况等 3种典型工况 进 行 了数值模 拟 。计 算 中采 用 湿蒸 汽作 为流 动工 质 ， 进 口给 定总 压 、 总 温 和 汽 流 角 ， 并 假设 为轴 向 进 汽 ， 沿 叶 高方 向汽 流角均 为 9 O度 。 出 口给 定平 均 背压 为 6 7 9 k P a 。 本 文分 析 中 的工 况 1对 应 为 主机 7 5 负荷 、 两 台给 水 泵 汽 轮 机 运 行 的 工 况 ， 转 速 为 4 2 0 0 r mi n ； 工 况 2对应 给水 泵 汽轮 机 的铭 牌 工况 ， 转 速 为 5 2 5 0 r rai n ； 工 况 3对 应 主机 VWO、 单 台 给水 泵 汽轮 机运 行 的工 况 ， 转 速 为 6 0 0 0 r mi n 。各 工 况 参数 如 表 1所示 ， 工况 1的容 积流 量 仅 为工 况 3的 4 0 左 右 ， 变化 幅度相 当大 。 表 1 计算工况 2 结果分析 从 子午 通道 内 的 流 线 分 布 可 以看 出 ( 如 图 3 所 示 ) ， 在子 午 通 道 内 汽 流 流动 基 本 通 畅 ， 没有 出 现漩 涡 、 脱 流等 不稳 定流 动现 象 ， 各 级之 间过 渡基 本 合 理 。由于 采 用 了 阶梯 状 扩 张形 状 的 上端 壁 ， 在动 叶顶部 出 口汽 流 的拐角处 出现 了小 范 围 的低 速 区 ， 这在 一定 程度 上影 响 了整个 通流 的效率 。 图 3子午面相对速度分布 2 1 反 动度 的分 布 反动度沿叶高的分布是叶片设计的一个重要 指标 ， 根部 反 动 度不 能 太 低 以避免 小 流 量 工 况 时 粪 蠢 I一 匝 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2期 给 水 泵 汽 轮机 流 场 的数 值 模 拟 叶片根部流 动 分离 ， 顶 部 反动 度 不能 太 高 以减 少 动 叶顶部漏 汽损失 。从 3 种 典 型工况下 各级 反 动度沿叶高的分布来看， 高负荷工况 ( 高转速条 件 ) 下 ， 各级 反动度沿 叶高 的分布值 大于低 负荷 工 况 ( 低 转速 条件 ) 下 的反 动度 。转 速 降低 时 ， 各 级 反动 度下降 比较快 。反动度 的设计 影响 到汽轮 机 各级焓降的分配， 在保证机组出力的同时， 必须合 理设 计各级 反 动度 ， 减 少低 负 荷 时叶 片 根部 的 脱 流和倒流， 以及高负荷时 叶顶 的大负攻角流动 。 图 4给出 了 3种工况 下末级 叶片反 动度沿 叶高 的 分布 特性 。由图 4 可 见 ， 在设 计工况 下 ， 末 级反 动 度沿 叶高 的分 布在 0 2 0 6范 围内 ， 分 布还是 比 较合理的； 即使容量流量下降到 4 0 左右( 工况 3 到工况 1 ) ， 末 级 的根部 反动 度仍 然 大 于零 。与 一 般定转速的流场， 末级容积流量降低到 4 0 ， 根 部就 出现 回流 区的状 况 相 比， 给水 泵 汽轮 机 叶 片 级能在 更 宽 广 的 变 工 况 范 围 内 保 持气 动性 能 稳 定 。这 与经典 的速度 三角形理 论分 析 ： 转速 ( 圆周 速度 ) 随负荷 ( 容 积流 量) 减少 而下降 ， 可大 幅度 降 低 叶栅进 汽角 的变化 幅 度 ， 减缓 流 动状 况 恶化 的 结 论是 一致 的。 2 2 汽流进汽 角的分 布 从 S 1叶栅截 面相对 速度矢 量 以及极 限流线 35 25 1 5 萋s 一 5 1 5 25 - _ 工 况3 t工 况2 _ 1 -工 况1 卜 r _ 一 l 一 、 一 J J-、 - J L一一 ， - l 。 。 、 ， 工 况 1 | _ 工 况 2 0 0 1 0 2 0 3 O 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 1 相 对 叶高 图 4 三种典型工况下末级反动度沿叶高分布 的分布 可 以看 出各级 叶片攻 角 的分 布 。不 同 的工 况下 ， 受 转速 和流量 变化 的影响 ， 各 级 叶片的 流场 差 异 比较 大 ， 尤其 对 于 末 三级 扭 叶 片 。动 叶 攻 角 变化的总体 趋势大致是高转速下汽流进汽角增 大， 低转速下汽流进汽角下降。各级叶片沿叶高 方 向攻 角随转 速变化 的趋势 也不一 致 。 图 5给 出了 3种 典型工 况下末 级和次 末级 动 叶攻角 沿叶 高变 化 的情 况 ， 图 中攻 角 为几 何 角 减 去 汽流角 。末级 动 叶进 汽角 的变化 主要集 中在 叶 片中间部 分 的各截 面 ； 次末级 、 次次末 级动 叶进 汽 角的变化从叶根到叶顶的变化逐渐变大 ， 叶顶部 位 截面 的变化最 明显 。 3O 篓 1 0 1 O 一 30 +工 况3 t工 况2 一一 - - r 一 +工 况 1 ， r J I -一一一一 J _ 一1 L、 _ 。 0 _ 2 l 相对 叶高 相 对 叶高 ( a ) 末 级 ( b ) 次 末 级 图 5 3 种典型工况下末两级攻角沿叶高分布 在 不 同工 况下 ， 虽 然各 级 动叶 片攻 角有 一 定 的变化， 但并没有引起叶型表面发生流动分离 ， 流 动情 况 良好 。这是 由于转 速变化 减少 了进汽角 的 变化 幅度 ， 以及 各截 面 叶 片表 面静 压 分 布 的逆 压 梯度 比较小 ( 见 图 6的 叶片表 面静 压分 布 曲线 ) 的 原 因 。 2 3 静压分 布 叶片表 面静压分 布是分 析 叶栅 三维 流动 中最 重要 的依据 之 一 ， 通 过 它 可 以判 断 叶片 的负 荷 分 _ 圜 鼍 麓 布及径 向 、 轴 向压力 梯度分 布 ， 从 而可 以定 性地 判 断叶型损失和二次流损失 的大小， 以及叶片的载 荷大 小 。 图 6为末 级动 叶在工 况 2下 的表 面静 压 分布 曲线 。从 叶片表面 的静压 分布可 以看 出各 叶 片汽 流转捩点过早， 转捩后的扩压率缓慢， 扩压区大但 是扩压区内的汽流 比较稳定 。与高效率叶型的静 压分布特性相 比， 该叶片的型面损失并非最优 ， 但 是具有 较好 的变工 况性能 。 7 6 5 4 ； 2 l 0 。 雠需 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 给水泵汽轮机流场的数值模拟 热 力透平 ” “。 自向 侍 。 。 。 末 级 叶 I 栅 出 口与 排 汽i K rL 连接 ， 气 动7 J 析 I 表 明 相 对 轴向 位置 刚山 H J H j 士坎 剀 伏 图 6 工况 2 时末级动叶表面静压分布 末 级 叶片 的出 口压力 分布 与排 汽缸 内的流 动 有着 变 工况下 各 汽 流参 数 偏 离 设 计 值 ， 在 一 定 程 密切 的联 系 ， 实 际 末 级 叶栅 出 口处 压 力分 布并 不 度 上影 响 了通 流部 分 的效率 。设 计工 况 2下 的效 均 匀 ， 为 了进 一 步 研 究 给 水 泵 汽 轮 机末 级 动 叶 率 最 高 ， 比 工 况 1和 工 况 3的 等 熵 多 变 效 率 高 的强度 振动 性 能 ， 在 后续 的计 算 中可 以采 用 末 级 2 左 右 。在 容 积 流 量 较 大 范 N 4 g( N 4 0 G 2 叶片和 排汽 缸联 算 的方式 。 右 ) 的情 况下 ， 包括 末级 叶 片在 内的流 动均 没有 明 显 的变 化 ， 机 组 的变工 况性 能是 比较理 想 的 。参 E J 考 J a 文 m 献 eso ： n A ，s h i d w ，T k 。 l E N 5。 。 。， t h e Eu l e r Eq u a t i o n b y Fi n i t e Vo l u me M e t h o ds wi t h Ru n ge 3 总 坌 占 K ff T S te p p g s A A I A A P p e I t ， 1 9 8 1： 8 1一 I 2 5 9 本 文使用 Nu me c a 软 件对 百万 超超 临 界机 组 2 w J M i n k 。 w y c z a n d E M S p a r r o w A ( f “ 一 z N u m e r i c a l 用 给水 泵汽 轮机 的通 流部分 进行 变工 况三 维 流场 H T f e M _W a s h i n g t o n , D c ： T a y l o r F i 模拟， 可以直观 了解给水泵汽轮机内部 流场 的流 3 N ， F f 。 ， g r o ： FI NEr 动细节 。通 过对 3种典 型工 况下 末级 叶片 的反 动 6 2 M N U M E C A I n t e r n a t i o l ， B e l g i ， J u l y 度 、 末 两级动 叶 片汽流 进汽 角 、 末 级 动叶片 静压 分 2 0 0 4 布 ， 以及整个 机组 的效 率等 变化 情况 对 比分析 ， 得 E 4 3 杨建道 空冷5 0 M W机组低压缸变工况三维流场数值分析 到 以下结论 ： ( 1 ) 转速 与蒸 汽流量 的同步下 降有 利 _ J 热力透平， o o 。 。 ： 。 一 于 减 缓 根 部 反 动 度 的 下 降 幅 度 、 有 禾 IJ 于 减 缓 叶 片 篙 国 1 5工 0 M程 W热 表面静压特性的变化 ， 以及有利于减缓机组效率 热机气动热力学： 1 9 5 1 9 9 娟讯 我 国 火由- 棚 绢 效 率 与 先 进 国家 仍 有 较 大差 距 据 2 0 1 0年 5月 2 4日 科技 日报 报道 ， 国家发改 委副主任 、 国家能源局局长张 国宝在 2 0 1 0年全 国电力行业淘汰落后 产能工作会议上透露 ， 目前 ， 我 国 3 O万 千瓦及 以上火 电机组 占火 电总装机 比重 已从 “ 十一 五” 初期的 4 3 3 7 提 高到 了 6 7 1 ， 高效 、 清 洁机组 已成燃煤发 电主力。但全 国火 电单 机平 均规模还 只有 1 o 3 1 万 千瓦 ， 与 日本 、 德 国等先进 国家相 比， 在机组平均效率方面仍然存在较大差距 。 张国宝介绍 ， “ 十一五” 以来 ， 我国电力装机从 2 0 0 5年 5 1 7亿千瓦增加到 2 0 0 9年 8 7 4亿千瓦 ， 今年 肯定超过 9亿千 瓦。电源结 构调整迈出了新步伐 ， 全 国水 电装机从 1 1 7 亿 千瓦增加到 1 9 7亿千瓦 ； 风 电装机 约 2 4 1 2万千瓦 ， 跃 居世界 第三位 ； 全 国在建核 电机组达 2 3台 、 2 5 4 0万千瓦 ， 我国已成为全球在建 核 电规模最 大的 国家。但 他同时指 出 ， 我 国还存 在相当一批小火电机组 ， 这些机组年 限长 ， 技术标准低 ， 煤耗 高 ， 排 放量大 。他 表示 ， 现在我 们 国产 新机组 发电煤耗 最低 可以降到每千瓦时 2 7 0克 ， 甚至更低 ， 而落后的小火电机组普遍在每千瓦时 4 5 0至 5 0 0克。 张国宝强调 ， 当前关停小火 电机组仍 面临不少 困难 和问题 ， 例如可关停的小火电机组 已经越来 越少 ， 据统计 ， 全国现 有单机 3 O万千瓦 以下火 电机组还有约 7 0 0 0万千 瓦， 其 中单机 1 O万千 瓦以下机组 只剩下 1 4 6 6万千瓦 ， 当 中相 当一部分 处于电网末端 ， 或者是独立 电网， 承担当地主要的供电任务 ， 短期 内难 以关停 ； 而 1 O万千 瓦以上机 组很多还 未达 到服役 期限 ， 且涉及人员较多 ， 关停难度很大 。 I I圜 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m