小流量工况下汽轮机低压缸内流动与鼓风加热特性数值研究_谈晓辉.pdf

第 卷 第 期 年 月 汽 轮 机 技 术.小流量工况下汽轮机低压缸内流动与鼓风加热特性数值研究谈晓辉，张 奔，王耀文，穆祺伟，王宏武，翟鹏程，于龙文，王 汀，马汀山，（中石化胜利石油管理局有限公司胜利发电厂，东营；西安西热节能技术有限公司，西安；高效灵活煤电及碳捕集利用封存全国重点实验室，西安）摘要：针对目前供热机组低压缸零出力改造导致汽轮机低压缸处于小流量工况的问题，以国内某电厂汽轮机低压缸为研究对象，建立了低压缸单边六级叶栅单通道流场计算模型，数值研究了变工况尤其是小流量工况下低压缸内部的流动结构和气动性能，重点分析了小流量工况下末级动叶的鼓风加热特性。结果表明：在小流量工况下，低压缸的末级叶栅内会出现汽流分离和回流现象，汽流分离首先出现在末级动叶叶根处，并随着入口流量的持续减小逐渐向上游叶栅及叶顶发展，同时，末级叶栅通道内会出现局部涡流并伴随有动叶入口的负攻角现象，严重阻碍蒸汽工质的流动；末级静叶的叶顶区域出汽边在入口流量降低至额定工况的 时会出现局部高温区，表现为小流量下末级动叶的鼓风加热效应，同时，鼓风加热效应会随着入口流量的减小而持续加剧，包括局部高温区范围的扩大和最高温度的提升；鼓风加热效应对末级静叶表面最高温度的影响显著大于末级动叶，研究的最小入口流量工况下末级静叶与动叶表面最高温度相较于额定工况分别提高了 和。关键词：汽轮机；低压缸；变工况；鼓风加热；数值模拟分类号：文献标识码：文章编号：（），（，；，；，）：，：；收稿日期：基金项目：中国华能集团总部科技项目（）。作者简介：谈晓辉（），男，高级工程师。从事燃煤电厂技术和管理工作。汽 轮 机 技 术第 卷 前 言随着“碳达峰”和“碳中和”目标的提出与推动，我国清洁能源装机容量持续快速增长。然而，电力系统调峰错峰能力难以满足现有的清洁能源并网消纳的要求，提高火电机组的灵活运行性已经成为了促进“双碳”目标尽快达成的关键课题。针对该问题，国内许多电厂进行了汽轮机低压缸的切除改造，尽可能实现低压缸在较小的入口流量下的安全平稳运行。小流量工况下汽轮机低压缸内会出现汽流分离和出口回流现象，同时，末级动叶会进入鼓风状态，叶片温度在鼓风加热效应下会大幅升高，严重影响末级长叶片的强度，从而影响汽轮机的安全运行。因此，对汽轮机低压缸在小流量工况下的运行状态进行研究具有重要的工程意义。目前，国内外学者针对汽轮机低压缸在小流量工况时运行的稳定性开展了一些研究，并取得了一些成果。在流动方面，石红晖、赵金峰、等采用数值模拟的方法，建立了汽轮机低压缸内部流场的计算模型，研究了小流量工况下低压缸内部蒸汽工质的流动规律。朱秋良等分析了末级叶栅通道内涡流的分布规律；徐佳敏等对比了进气流量和温度对低压缸内部流动的影响规律；胡平等通过非定常数值模拟方法研究了小流量工况下低压缸末级出现的流动不稳定现象。在振动方面，刘长春、曹丽华等建立了汽轮机长叶片流固耦合三维计算模型，研究了叶片流道内流场的气动特性和整圈叶片结构场的振动特性，认为低压缸最小流量不得低于额定流量的。等对比了压力变化率对叶片气动弹性不稳定性的影响规律，王加兴等分析了小流量工况下低压缸末级叶片的应力变化规律，李振彦等研究了变工况下末级长叶片的流体激励及振动响应特性。在传热方面，徐佳敏、徐美超等分析了小流量工况下低压缸内部温度场变化规律，认为末级动叶在低压缸入口流量降低至额定工况的 左右时将进入鼓风状态，并且鼓风加热现象会随着入口流量的减小而愈加显著。曹丽华等数值研究了极低负荷工况下低压缸内的温度分布，分析了近零功率时冷却蒸汽参数变化对温度场的影响，结果表明：近零工况下低压缸排气温度与冷却蒸汽流量和冷却蒸汽温度呈线性变化趋势，与冷却蒸汽流量负相关，与冷却蒸汽温度正相关。宋文希等研究发现鼓风温度最高的区域位于末级静叶与动叶之间；刘艺苗等研究表明随着低压缸入口流量的减小，末级动静叶间隙的顶部会出现显著的涡流，随即进入鼓风状态。汽轮机低压缸末级内部流场十分复杂，针对目前供热机组改造导致汽轮机低压缸处于小流量工况的问题，本文建立了汽轮机低压缸单边六级叶栅单通道流场计算模型，研究了变工况尤其是小流量工况下低压缸的内部流动结构和气动性能，重点分析了小流量工况下末级动叶的鼓风加热特性。本文的研究结果可为变工况尤其是小流量工况下汽轮机的安全稳定运行提供参考。计算模型和数值方法 计算模型本文以国内某电厂汽轮机的低压缸为研究对象，针对该汽轮机低压缸末六级叶栅开展了数值分析。在稳态工况下，低压缸的同一级叶栅通道内各叶片通道流场结构相似，为了提高计算效率，仅对各级叶栅通道选取了单个流道进行研究，建立了低压缸单边六级叶栅单通道流场的计算模型。为了保证数值计算的收敛性与稳定性，在末级动叶出口处将流道进行了延长。图 所示为汽轮机低压缸单通道流场的三维计算模型和子午面示意图，各级叶栅的几何参数见表。图 汽轮机低压缸单通道流场计算模型 表 汽轮机低压缸各级叶栅几何参数级数叶片数平均叶高 平均直径 数值方法为了研究变工况尤其是小流量工况下汽轮机低压缸的性能变化，引入级内功率、级静效率 和级总效率，分别定义为：（）式中，为通过动叶栅的流量；为透平级的有效焓降。（）式中，为透平级进口总焓；为透平级的出口总焓；为透平级的等熵出口静焓。（）式中，为透平级的出口静焓。第 期谈晓辉等：小流量工况下汽轮机低压缸内流动与鼓风加热特性数值研究采用商用软件 中的 模块，基于 拓扑结构对汽轮机低压缸单通道流场计算模型进行全六面体网格剖分，图 所示为计算网格。从图 可以看出，为了适应弯扭叶片的复杂几何外形，在叶片近壁面区域采用了 型网格剖分，从而提高叶片前缘和尾缘的网格质量，在主流区域则采用了 型网格剖分，在提高流道中部区域网格质量的同时能够有效减小整体网格的数量，提高计算效率。此外，为了准确捕捉到流场中的复杂流动结构，对近壁面区域的计算网格采取了加密处理。图 汽轮机低压缸整体及局部网格表 给出了不同网格数下低压缸排汽出口处蒸汽工质的质量平均速度与末级动叶 的表面平均温度，其中，万网格数时的数据采用外推法计算得到，并以此为基准。从表 可以看出，网格数对低压缸内流动参数预测值的影响大于对传热参数预测值的影响。当网格数为 万或 万时，排汽平均速度与 表面平均温度的相对误差均已小于，可以认为继续增大网格数对计算结果的影响已经可以忽略不计。综合考虑数值预测的精度与计算资源的消耗，认为采用 万网格数进行数值计算时误差已足够小。因此，计算模型最终采用的网格数为 万。表 不同网格数下排汽平均速度及 表面平均温度网格数 万速度（）误差 温度 误差 采用商用软件 对汽轮机低压缸单通道流场进行前处理和稳态 计算，湍流离散格式与数值计算精度均为二阶高精度。为了更好的模拟汽轮机低压缸中水蒸气工质的凝结过程，计算工质选取了基于 工业标准的真实水蒸气模型 ，其中，组分模型中的气体模型 定义为 ，液体模型 定义为 。在湍流计算方面，选用了 两方程模型，该湍流模型能较好地预测流动分离情况。边界条件在数值计算边界条件设定中，低压缸入口给定总压、总温以及速度方向，排气出口给定平均静压。额定工况 下低压缸入口总压为，总温为，速度方向沿轴向由入口指向排汽出口，出口静压为。在额定工况的基础上，参考汽轮机真实运行工况，通过逐渐降低入口总压及总温以实现小流量工况的数值模拟，本文计算的 组运行工况见表，其中，额定工况 下入口流量约为 。表 汽轮机低压缸计算工况工况入口总压 入口总温 相对质量流量 为了保证动静叶交界面的速度场连续，在动静叶交界面的处理中采用了 方法，其中，动叶叶栅通道设定为旋转计算域，转速为 。静叶及动叶叶栅通道的周向边界设置为旋转周期性边界（如图 所示），其余壁面均设置为绝热无滑移壁面。结果讨论与分析 流动结构图 所示为不同工况下汽轮机低压缸通流区域的速度矢量分布。从图 可以看出，在额定工况 下，整个低压缸内流场较为均匀，未出现汽流分离和排汽出口回流现象。当入口流量减小至额定工况的 即 工况时，在末级动叶的叶根处开始出现汽流分离现象，同时，排汽出口处开始出现回流现象。随着低压缸入口流量的持续降低，汽流分离区逐渐由叶根向叶顶以及上游叶栅发展，此时排气出口处的回流现象也逐渐显著。对于 相对流量工况，末级叶栅的动静叶间隙顶部出现了流动分离现象，排汽出口靠近叶根区域出现了大范围的回流，回流面积相当于排汽出口面积的。对于入口流量最小的 工况，末级和次末级叶栅通道内均出现了流动分离现象，尤其是在末级与次末级的叶栅间隙根部和末级叶栅的动静间隙顶部最为严重，此时排汽出口处几乎只在最顶部存在工质流出。图 所示为不同工况下汽轮机低压缸末级叶栅内 和 叶展截面的速度矢量分布。从图 可以看出，在额定工况 下，末级叶栅内流动情况较为正常，未出现局部涡流或负攻角现象。当入口流量减小至额定工况的 即 工况时，在末级静叶通道叶顶区域的压力侧开始出现局部涡流，动叶入口处也开始出现负攻角。随着低压缸入口流量的持续降低，末级静叶通道内的局部涡流逐渐加剧，包括强度的增长和尺度的扩大。对于 相对流量工况，末级静叶通道叶顶区域的局部涡流逐渐向吸力侧发展，占据了约 的通流面积，同时，伴随着更为严重的动叶入口负攻角，在动叶通道叶根区域也出现了局部涡流。对于汽 轮 机 技 术第 卷图 汽轮机低压缸内部流场结构图 汽轮机低压缸末级叶栅不同叶展平面流动结构入口流量最小的 工况，末级静叶通道的叶顶区域几乎完全被局部涡流占据，此时叶根区域也开始出现局部涡流，而动叶通道叶根区域的周向速度远大于轴向速度，蒸汽流动几乎停滞。性能指标图 所示为不同工况下汽轮机低压缸各级叶栅的性能指标变化。从图 可以看出，除第 级叶栅外，其它各级叶栅的级功率、级静效率和级总效率基本上呈现出随低压缸入口流量的减小而持续降低的趋势。其中，需要注意的是第 级叶栅在小流量工况 中表现为负功率输出，而第 级叶栅在小流量工况 中均表现为负功率输出，表明此时蒸汽工质在级内膨胀做工输出的功率已不足以支持该级动叶以 的转速运动。图 汽轮机低压缸变工况下各级叶栅性能指标图 所示为不同工况下汽轮机低压缸整机的性能指标变化。从图 可以看出，随着低压缸入口流量的减小，整机的功率持续降低。同时，整机的静效率大体上也表现为随入口流量的减小而持续降低，但整机的总效率则表现为随入口流量的减小先升高后降低，在 相对流量工况 时出现最大值。需要注意的是，对于低压缸入口相对流量由均匀减小至 的小流量工况，整机的静效率和总效率的并非均匀降低。相较于 工况，工况时整机的静效率和总效率分别降低了、和、，而 工况时整机的静效率和总效率则分别降低了 和，整机效率下降的幅度远大于入口流量减小的幅度。第 期谈晓辉等：小流量工况下汽轮机低压缸内流动与鼓风加热特性数值研究图 汽轮机低压缸变工况下整体性能指标图 汽轮机低压缸子午面温度分布 鼓风加热特性图 所示为不同工况下汽轮机低压缸末两级叶栅子午面的温度分布，图 所示为不同工况下汽轮机低压缸末级动叶的表面温度分布。从图、图 可以看出，从额定工况 至 相对流量工况，整个低压缸内的温度分布较为正常，表现为从入口至排汽出口逐级降低，同时，此时末级动叶表面温度也随着入口流量的减小而逐渐降低。当低压缸入口流量继续减小至额定工况的 即 工况图 末级动叶表面温度分布时，在末级静叶的叶顶区域出汽边及末级动叶的叶顶区域出现了局部高温区，表现为小流量工况下末级动叶对存在较大过热度蒸汽工质的鼓风加热效应，表明此时末级动叶进入了鼓风状态。此外，随着低压缸入口流量的持续减小，末级动叶的鼓风加热效应逐渐显著，包括局部高温区范围的扩大以及最高温度的提升。对于入口流量最小的 工况，在末级叶栅的动静间隙靠近叶顶区域出现了大范围的高温区。图 所示为不同工况下末级静叶（）和动叶（）表面平均温度和最高温度的变化。从图（）可以看出，随着低压缸入口流量的减小，末级静叶和动叶表面平均温度先降低后升高，且均在 相对流量工况 时出现最小值。同时，当末级动叶在 工况进入鼓风状态时，相较于静叶，动叶表面平均温度的升高更为显著，表明动叶较静叶对图 变工况下末级叶栅表面平均温度及最高温度汽 轮 机 技 术第 卷于鼓风加热的响应更为迅速。对于小流量工况 ，随着低压缸入口流量的持续减小，末级叶片表面平均温度迅速升高，呈现出强烈的鼓风加热效应。其中，末级静叶表面平均温度在 工况相较于 工况分别提高了、和，而动叶表面平均温度在 工况则分别提高了 、和。从图（）可以看出，末级静叶和动叶表面最高温度分别在 相对流量工况 和 相对流量工况 时出现最小值，同时，随着低压缸入口流量的持续减小，末级叶片表面最高温度迅速升高，并且当低压缸入口相对流量小于 时静叶表面最高温度的提升幅度远大于动叶。其中，末级静叶表面最高温度在 和 工况相较于 工况仅分别提高了和，而在 和 工况则分别提高了和。对于末级动叶，表面最高温度在 工况相较于 工况分别提高了、和。此外，在本文研究的 个工况下，末级静叶表面最高温度均大于动叶，其中，对于低压缸入口流量较大的 工况，静叶表面最高温度相较于动叶提高了约、和。然而，对于最小流量工况 和，末级静叶表面最高温度相较于动叶则分别提高了约和，表明低压缸在入口流量极小时鼓风加热效应对末级静叶的影响大于动叶。结 论本文对不同工况下汽轮机低压缸的内部流动结构与鼓风加热特性进行了数值研究，介绍了小流量工况下低压缸内部的汽流分离与排汽出口的回流现象，分析了末级叶栅通道内局部涡流的发展与影响，研究了低压缸入口流量变化对低压缸各级叶栅性能与整机性能的影响，重点分析了小流量工况下末级动叶鼓风加热效应对末级叶片表面温度的影响规律，得出以下结论：（）在小流量工况下，低压缸的末级叶栅内会出现汽流分离现象，同时，在排汽出口处会出现回流。对于本文所研究的低压缸模型，当入口流量降低至额定工况的 时，末级动叶叶根处开始出现汽流分离，随着入口流量的持续降低，分离区域逐渐向上游叶栅及叶顶发展。（）在小流量工况下，低压缸末级静叶通道的叶顶区域会出现局部涡流，并伴随着动叶入口出现负攻角。同时，随着入口流量的持续降低，静叶通道内的局部涡流逐渐向叶根发展，在动叶通道的叶根区域也将出现局部涡流，严重阻碍蒸汽工质的流动。（）随着低压缸入口流量的降低，整机的功率及效率大体上呈现出持续降低的趋势。对于本文所研究的低压缸模型，当入口流量降低至额定工况的时，蒸汽工质在末级叶栅通道内的膨胀做功以无法维持动叶以 的转速运动。（）在小流量工况下，低压缸的末级动叶会进入鼓风状态。对于本文所研究的低压缸模型，当入口流量降低至额定工况的 时，在末级静叶的叶顶区域出汽边及末级动叶的叶顶区域会出现局部高温区。同时，随着入口流量的持续减小，末级动叶的鼓风加热效应逐渐显著，包括高温区范围的扩大和最高温度的提升。（）末级动叶对鼓风加热效应的响应速度快于静叶，但对于极小的低压缸入口流量，鼓风加热效应对末级静叶的影响显著大于动叶。相较于额定工况，本文研究的最小入口流量工况下末级静叶与动叶表面最高温度分别提高了 和，此外，变工况下末级静叶与动叶表面最高温度变化的最大幅度分别为 和。参 考 文 献 李琼慧，王彩霞 新能源发展关键问题研究 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，：，（）：刘吉臻 大规模新能源电力安全高效利用基础问题 中国电机工程学报，（）：，（）：，（）：鲁周勋，谢友柏 迷宫气体密封转子动力学特性分析 润滑与密封，（）：肖忠会 转子轴承密封系统动力学建模及其特性研究上海：复旦大学，陈付平，许文辉，杨二旭 汽轮机转子临界转速的仿真分析与验证 汽轮机技术，（）：，司和勇，曹丽华，李盼耦合热、动载荷的超超临界汽轮机迷宫密封动力特性 航空动力学报，（）：，（）：王 飞，谢尉扬 汽轮机低压轴承温度异常分析及治理 汽轮机技术，（）：王 正 传递矩阵法的奇点及其消除方法 振动与冲击，（）：，（）：（上接第 页）徐佳敏 深度调峰工况下 汽轮机低压缸流场数值计算与分析 汽轮机技术，（）：，徐美超，曹丽华，赵金峰，等 小容积流量下汽轮机末级流场涡流特性研究 汽轮机技术，（）：，曹丽华，李 禹，司和勇 超低负荷工况下大功率汽轮机低压缸内温度场分布特性研究 中国电机工程学报，（）：宋文希，朱蓬勃，高 庆，等 汽轮机低压通流区鼓风态流场数值分析 热力透平，（）：刘艺苗 汽轮机低压段小容积流量工况下流动特性研究保定：华北电力大学，王新军，李 亮，宋立明，等 汽轮机原理西安：西安交通大学出版社，