2.2MW四级串联式向心透平气动设计.pdf

收稿日期:作者简介:刘志德()男高级工程师 现从事汽轮机产品设计工作.四级串联式向心透平气动设计刘志德徐林峰关 淳潘春雨李宇峰赵洪羽(哈尔滨汽轮机厂有限责任公司 哈尔滨)摘要:使用 向心涡轮设计工具结合()计算校核实现了.四级串联式向心透平的气动设计 计算结果表明:各级向心透平动叶进口攻角处于.范围动叶通道流场均匀无分离 各级动叶出口气流设计为轴向流出通过级间流场光顺的转弯段级后静叶前缘无明显攻角表明各级动静之间流动匹配良好 最终整机在./的较小流量下以.的总总等熵效率实现了.的总输出功率关键词:多级向心透平热力设计三维造型数值模拟分类号:文献标识码:文章编号:().():.:./.:前 言向心式透平主要由静子和动叶叶轮构成相较轴流透平其动叶存在显著的进出口径向落差气流是从径向流入而后沿转子轴线方向流出因其结构上的特点向心式透平可以利用科氏力无损做功由于向心式透平能允许较高的圆周速度当各参数选择合适时该部分无损功可以达到涡轮等熵功的 故向心式透平具有单级焓降大和效率高的特点在小流量时的优势尤为明显 在小流量情况下使用轴流透平会使叶片长度过短叶片数目增多而导致流动损失加大效率下降且轴流透平的制造成本较高因此在余热回收利用、工业辅助汽轮机等小功率、小空间场合下更加倾向于使用结构紧凑、制造工艺简单的向心式透平向心式透平的研究在国外起步较早研究表明叶轮最佳效率并非发生在零攻角工况而是在负攻角工况这个负攻角在 之间这一点已经被很多实验所证实 如()指出其值为 和()的测量结果为 而 ()给出的值高达()建立了叶片数目和叶轮进口绝对气流角之间的关系式并给出了一种理论上确定叶轮出口相对流动角的方法最小相对马赫数对应的出口相对流动角为 和()的实验结果则表明较少的叶片数目是可以接受的当涡轮尺寸很小时叶片数目可以减少 而不会产生性能上的恶化 和()把出口速度比/和效率联系起来认为当/值在.之间、速比在.时效率最高()给出了不同比转速下的涡轮叶轮效率曲线径流涡轮只有在比转速.之间时具有较高效率向心式透平作为一种节能减排、高效的动力机械在国内也越来越得到重视刘春雷对涡轮分流叶片的功能及优化布置进行了探讨并对叶轮中弧线曲率、攻角对性能的影响进行了研究 林鹏对导叶 个开度条件下的涡轮级进行定常和非定常的数值模拟对涡轮流道内的二次流动进行了分析 张强将 级向心透平改型为 级实现了单级增负荷的设计要求其间详细分析了叶顶间隙内的流动特征多级向心透平以多级串联的形式实现大焓降进一步提高向心式透平的做功能力扩大其应用范围在未来的能源工业中以向心式透平为主要组成部分的小型发电系统将发挥重要作用 随着计算机和 软件的开发应用使向心式透平的研究趋向于贴近实际、低成本化 本文以蒸汽作为工质进行四级串联式向心透平气动设计重点关注级间匹第 卷 第 期汽 轮 机 技 术.年 月.配使用 向心涡轮设计工具基于最优速比、比转速的热力计算方法进行各级一维设计利用商业计算软件对各级及整机进行 计算校核以保证各级气动设计符合要求 研究方案.设计边界给定进出口边界条件以水蒸气为工质进行膨胀做功使用四级串联式向心透平作为膨胀机要求实现.的输出功率具体参数见表 表 设计目标参数功率入口总温入口总压出口静压流量/.研究方案各级使用 模块进行一维热力设计使用三维造型工具根据热力设计结果进行叶片的三维造型 使用 商业软件对各级进行气动模拟结合逐级联算确保整机设计符合预期数值计算采用 湍流模型壁面首层网格高度统一设为.使得各级叶表 值在.范围使用网格划分工具进行各级导叶、动叶片及级间转弯段的六面体网格划分通过各级导叶转角匹配流量经网格无关性验证最终得到 万的四级联算网格总量多级串联向心式透平气动设计重点关注级焓降及级间匹配由于各级热力设计损失模型及系数是基于软件默认经验参数经 校核比较一维热力设计结果与三维气动计算结果在级效率及出口气流角上存在一定偏差因此采用较为成熟的 湍流模型气动计算结果作为基准用以修正热力设计从而完成设计优化.整体设计采用四级向心式透平可以有效控制机组的轴向长度为轴系设计提供良好基础在向心式透平领域中采用相对较低的 /转速减轻了机组轴承选型的压力也有利于保证机组旋转部件的结构强度 由于需要在小流量下实现高功率各级均需承担较高比焓降要求导叶出口有较高的气流速度前两级叶轮由于蒸汽参数相对较高比体积小导致叶轮进口高度小此时叶顶间隙对通流有较大影响为保证机组通流效率整机采用无叶顶间隙设计 叶片通流排布如图 所示含转弯段的叶片部分总轴距为 图 叶片部分通流排布 结果与讨论.热力设计基于速比 比转速的设计方法进行各级一维热力设计在有限输入下根据单级焓降要求、结构尺寸限制等迭代求解热力参数、几何参数速比以.进行初步设计此时叶轮拥有最佳效率比转速在.区间均可比转速小的叶轮呈细长状比转速大的叶轮则比较短而宽 逐级设计并进行 计算校核衔接各级进出口热力参数 根据所选择的导叶叶型动叶出口气流绝对速度应设计为轴向以保证良好的级间匹配 各级向心透平热力参数汇总于表、结构参数汇总于表.叶片造型设计.导叶造型设计常见的向心涡轮导叶叶型有 种:岛状叶型、楔形叶型和气动叶型 岛状叶型结构加工简单但压力分布不理想气动叶型效率比其它叶型要高 但加工困难设计难度高楔状叶型结构相对简单损失尚可 本文各级导叶均使用莫斯科动力学院研制的 气动叶型该叶型拥有 的叶片进口角及 的叶片出口角在兼具高效率的同时便于级间匹配设计和满足单级高负载的要求叶片的大圆角前缘也使其具有较好的攻角适应性导叶的三维结构如图 所示 表 四级向心透平热力参数汇总级数入口总压/入口总温/出口静压/出口静温/级静压比级焓降/(/)级反动度第一级.第二级.第三级.第四级.级数质量流量/(/)等熵效率 /速比比转速转速/(/)导叶出口马赫数级功率/第一级.第二级.第三级.第四级.汽 轮 机 技 术 第 卷 表 四级向心透平结构参数汇总级数动叶进口直径动叶进口叶高动叶出口轮径比动叶出口相对气流角()导叶片数动叶片数轴向长度第一级.第二级.第三级.第四级.图 导叶三维结构图图 动导叶片中截面静压云图.动叶造型设计各级动叶采用 的造型方式调节叶片角分布曲线使进出口部分平缓、中间部分自然过渡如图 所示整体上使叶片曲率尽可能小叠加叶片厚度分布完成动叶造型 以第三级动叶为例其结构如图 所示.数值模拟.流动特性分析各级动导叶片中截面压力分布如图 所示各级叶片流道内无压力突变压降均匀气流在转弯段内无明显压力变化转弯段设计良好承担气流的导向作用图 动叶叶片角分布曲线图 叠加曲率分布的第三级动叶结构图各级动导叶片中截面流线如图 所示各级动叶出口气流轴向流出各导叶前部无明显攻角级间匹配良好 各动叶前部攻角处于.范围动叶前部流场光顺第 期刘志德等:.四级串联式向心透平气动设计 图 动导叶片中截面流线图无气流分离动叶进口攻角设计合理整机子午面静压分布如图 所示气流依次流过各级压力逐级下降转弯段内压力均匀四级串联式设计符合预期图 各级动叶载荷分布.载荷特性分析各级动叶 叶高处表面压力分布如 所示各级动叶载荷分布呈现均匀加载的特性整体流动状态良好无明显逆压梯度.气动性能分析以水蒸汽作为工质的四级串联式向心透平总体性能计图 整机子午面静压分布云图算结果见表 由计算结果可知利用本文方法设计得到的四级串联式汽 轮 机 技 术 第 卷向心透平实现了设计目的在设计点效率优良 表 总体性能计算结果通流流量/输出总功率总对总等熵效率总对静等熵效率.结 论本文基于 向心涡轮设计工具结合 计算校核探究了多级串联式向心透平的气动设计方法 以某 等级汽轮机设计为对象完成优化设计整机气动性能优良流量、功率等指标满足设计要求 主要结论如下:()各级向心透平动叶进口攻角处于.范围动叶通道流场均匀、无分离级间气动匹配较好()在各级动叶出口气流轴向流出的设计下各级静叶前缘无明显攻角级间转弯段内流场光顺各级之间匹配较好()整机在./的较小流量下以.的 等熵效率实现了.的总输出功率达到设计要求参 考 文 献 杨 策施 新.径流式叶轮机械理论及设计.北京:国防工业出版社.刘春雷.向心透平气动性能优化及气动设计.哈尔滨:哈尔滨工程大学.:./.():.林 鹏.向心涡轮三维粘性数值分析研究.北京:华北电力大学.张 强多级向心透平气动设计及间隙泄漏对性能的影响.哈尔滨:哈尔滨工业大学.李燕生陆桂林.向心透平与离心压气机.北京:机械工业出版社.(上接第 页)参 考 文 献 赵 征于悦波孙昊天.基于凝结水节流的新型协调优化控制策略.动力工程学报():.谭祥帅李 昭辛志波等.基于数据拟合的除氧器汽水系统自启动升温控制策略.热力发电():.张开萍高明明张洪福等.基于凝结水节流及热网蓄能的循环流化床供热机组变负荷性能研究.热力发电():.尹 琦潘 蕾沈 炯等.基于闭环辨识的除氧器水位最优前馈 反馈控制器设计.工程热物理学报():.:.张锐锋练海晴田亮.利用抽汽蓄能提高机组调频能力的定量分析.热能动力工程():.温新宇.大型火电机组凝结水泵变频技术深度节能策略研究.汽轮机技术():.袁俊杰廉嘉庚叶灵宋.迷宫式调节阀的结构设计与流量特性研究.流体测量与控制():.()():.:.:.:.():.():.刘梦瑶康灿丁可金等.某核电止回阀开启过程中的瞬态流动与结构特征.核动力工程():.董学莲罗 皓周 荣等.一种新型迷宫式调节阀流场特性分析.热力发电():.向文欣卫大为张贻林等.某大型汽轮机组旁排阀流固耦合特性分析.热力发电():.李树勋沈恒云张万年等.活塞式流量调节阀空化特性及其压力脉动响应.华中科技大学学报(自然科学版)():.臧希年.核电厂系统及设备.北京:清华大学出版社.黄家运李儒鹏邱天明等.秦山一期常规岛设备更新设计研究.中国核电():.第 期刘志德等:.四级串联式向心透平气动设计