多级小焓降涡轮叶片热力气动设计方法与工程实践.pdf

收稿日期:作者简介:管继伟()男汉族高级工程师工学硕士 主要从事汽轮机叶片设计工作多级小焓降涡轮叶片热力气动设计方法与工程实践管继伟郭魁俊(哈尔滨汽轮机厂有限责任公司哈尔滨)摘要:深入地研究了汽轮机通流部分基本设计参数对流动损失的综合影响提出了能够有效提升通流效率的多级小焓降叶片气动设计方法并结合各种流动损失的产生机理揭示了多级小焓降叶片气动设计方法在理论上的内在合理性 将多级小焓降叶片气动设计方法与其它准三维和三维叶片设计技术融合应用于哈汽公司 超超临界汽轮机高压通流的气动设计随之进行的叶栅风洞试验和机组性能试验结果证实了多级小焓降叶片气动设计方法在工程设计中的有效性关键词:多级小焓降涡轮叶片热力气动设计透平通流效率分类号:.文献标识码:文章编号:()():./.:前 言近几十年来随着透平叶片气动设计技术的发展人们对透平级中各种流动损失产生的机理以及相关影响因素的认识越来越深入在此基础上采用理论和试验相结合的方法总结出了许多定量地描述各种流动损失的损失模型 时至今日这些不断完善的损失模型已经能够足够精确地评估透平级中产生的各种流动损失为在透平通流部分一维气动热力设计阶段系统地研究各项基本设计参数对各种流动损失的影响创造了条件 哈汽公司利用自主开发的包含高精度损失模型的一维气动热力设计工具深入地研究了基本设计参数变化时透平级中各种流动损失之间的消长关系对比分析了多种设计方案对通流效率的影响提出了多级小焓降叶片气动设计方法并在哈汽公司 超超临界汽轮机高压通流设计中得到了成功的应用 多级小焓降叶片气动设计方法的基本思想多级小焓降叶片气动设计方法从通流部分一维气动热力设计入手深入研究根径、级数、叶栅出气角、反动度、汽封形式和间隙等基本设计参数对流动中各种损失的综合影响并结合优化算法提出效率最大化的通流设计方案 本文以哈汽公司 超超临界汽轮机高压通流部分气动热力设计为例来解释说明多级小焓降叶片气动设计方法的基本思想图 所示为根径和级数对通流效率的影响变化曲线 从图 可以看到在高压通流段总焓降相同的条件下当根径固定时通流效率随级数的增加先增大后减小 当级数相同时随着根径的减小通流效率增加 从图中也可以看到当根径降低 时可以获得最高效率的最佳级数由 级增加至 级通流效率可以提高.个百分点 由此提出了多级小焓降叶片气动热力设计的基本思想 对于多级小焓降叶片降低通流中的总损失(提高通流效率)第 卷 第 期汽 轮 机 技 术.年 月.图 采用不同的根径时效率随着级数的变化的根本原因本文结合通流中各项损失变化情况和影响各项损失的关键参数给予分析说明 图 所示为 级和 级两种设计方案中各项流动损失的变化情况通过对比分析可以发现采用 级的方案时通流中叶型损失、二次流损失和漏汽损失都出现了明显的下降深层次的原因可以从各项损失产生的机理上去理解 首先在高压通流段总焓降相同的条件下根径降低级数增加后各级所承担的焓降减小流过叶栅的流速必然降低致使叶型损失降低其次在流量相同的条件下级数增加后降低了的流速要求更大的通流面积考虑到根径降低的影响叶片长度将会显著增加叶片的展弦比提高叶栅中二次流动区域占整个流动区域的比例减小二次流损失减小再次两种设计方案中汽封间隙是相同的采用 级方案时叶片长度显著增加汽封漏汽面积占整个通流面积的比例减小汽封漏气损失明显下降最后在级数增加时通流部分重热系数增大也有利于提高效率图 级和 级两种方案流动损失的变化图 采用变根径设计方案的高压通流形状虽然多级小焓降叶片设计思想在理论上有其内在的合理性但是在实际的工程设计中并不是级数越多(根径越低)越好而是要综合各方面的因素进行现实的考量 如图 中虚线所示随着根径的降低获得最高效率的最佳级数逐渐增加但是最高效率的增长率却在逐渐下降表现在图 中虚线的斜率逐渐减小 可见随着根径降低级数增加多级小焓降叶片设计思想对通流效率的积极影响在逐渐削弱考虑到轴系的稳定性以及成本的控制当级数增加至 级时继续降低根径、增加级数的现实意义已经不大了 与多级小焓降叶片配合应用的准三维和三维气动设计技术 当采用多级小焓降叶片时叶片根径降低、长度增加使叶片级的径高比减小 小的径高比会导致各级静、动叶之间的压力变化梯度沿径向增加从而引起静叶隔板汽封、动叶叶顶汽封的漏气损失增加和叶栅中的径向二次流损失的增长 随着径高比的下降动叶片的扭曲程度会更加剧烈使得气动设计的难度加大 尤其对于高压通流部分的后面几级由于叶片径高比较小必须采取适当的方法来抵消或者减轻多级小焓降叶片设计方案带来的消极影响在具体的工程设计中一方面可以采用变根径的设计方案即在级数增加、根径总体上下降后进一步降低前面几级的根径同时适度提高后面几级的根径使根径成为如图 所示的倾斜的曲线 这样对于前几级来说叶片长度会进一步增加对这一部分通流气动效率的积极影响远远大于径高比减小带来的消极影响对于后几级来说根径适当提高直接提高了径高比缓解了多级小焓降叶片设计方案带来的问题 另一方面采用准三维和三维叶片的设计方法也可以有效地优化级间气动参数的径向分布使其沿径向的分布更加均匀削弱径高比过小带来的不利影响在本文所讨论的设计方案中准三维和三维叶片设计方法和多级小焓降叶片设计技术进行了深度地融合取得了很好的设计效果 比如控制涡设计方法就可以使级间的气动参数沿叶展方向更加均匀有利于提高级效率 控制涡设计方法的基本思想是在准三维的气动设计中通过调整轮周功沿叶高的分布规律来控制反动度等级间参数沿叶展的分布使它们分布更加均匀控制涡设计方法的本质是通过改变流量沿叶高的分布规律来促使流线在级静、动叶间隙中出现反曲率来抵销一部分径向压力梯度 利用流线曲率法求解准三维气动设计问题时在流线迭代收敛时相邻流线所组成的流管中通过的流量是相等的 图 所示为自由涡设计方法和控制涡设计方法所得到的收敛流线对比 由图 可见控制涡与自由涡相比静叶出口根部和动叶出口顶部通过的流量明显增加控制涡方法的流线在静、动叶的间隙中出现十分明显的反曲率 图 所示为两种设计方法的反动度沿叶高分布的对比可见控制涡设计的反动度沿径向更加均匀实现了对级间气动参数进行有效控制的目标在基础叶型设计过程中引入了优化算法 在优化的过第 期管继伟等:多级小焓降涡轮叶片热力气动设计方法与工程实践 图 自由涡和控制涡设计所得到的收敛流线对比图 控制涡与自由涡的反动度沿叶高分布程中为了保证正确的寻优方向作为目标函数的叶型损失必须得到精确地评估 为此开发了准三维黏性流动计算程序以期精确地评估叶型损失该程序经过一系列的考核计算与试验结果吻合良好具有足够的评估精度图 所示为计算得到的考核叶栅马赫数等值线分布图图 所示为考核叶栅出口沿节距方向计算得到的当地总压损失系数的分布与试验结果的对比 该程序可以结合优化算法在适当的几何限制条件下对最佳叶型进行自动的寻优 完成了基础叶型优化设计后在不同叶片高度上的叶型径向积叠的过程中引入复合倾斜等三维设计的理念以控制叶栅端壁处的二次流损失并进一步优化级间气动参数的径向分布 图 和图 所示分别为高压通流末三级叶片实体和叶展中部的马赫数等值线图图 计算得到的叶栅马赫数等值线分布图 叶栅风洞及机组性能试验验证为了验证设计叶型的高效性对高压缸第 级的静叶进行了环形叶栅风洞试验 图 所示为试验叶栅的照片试验中分别测量了叶栅在 个气流攻角(、)下的栅后总压测量位置选定在与叶片尾缘距离为轴向弦长的 处图 叶栅出口总压损失系数沿节距方向变化曲线图 高压缸末三级叶片实体图 高压缸末三级叶片叶展中部的马赫数等值线图图 由 只叶片组成的试验叶栅定义叶栅出口当地总压损失系数为:式中 为栅前总压 为当地总压 为当地静压 图所示为不同来流攻角下试验叶栅出口节距平均的(下转第 页)汽 轮 机 技 术 第 卷汽的蒸汽品位可以满足汽机轴封蒸汽的供汽品位要求所以高压缸排汽作为辅助蒸汽系统的主要汽源 主蒸汽减压后的蒸汽作为轴封系统的主要汽源辅助蒸汽系统可直接作为轴封系统的备用汽源 结 论()在满足设计和设备裕量的前提下核电机组低品位的高压缸排汽作为辅助蒸汽系统的新增汽源是可行的可提高发电机输出功率增加发电收益()对于低品位的核电汽轮机高压缸排汽选择高压缸排汽作为辅助蒸汽系统汽源需对运行方式进行调整保证机组安全可靠启动和停运()高压缸排汽作为辅助蒸汽汽源需考虑安全分析限值及辅助蒸汽用户的要求保证电厂系统的安全稳定运行参 考 文 献 邢 继高 力霍小东等.“碳达峰、碳中和”背景下核能利用浅析.核科学与工程():.吴 放.我国碳达峰、碳中和进程中核能的地位和作用.核科学与工程():.胡 娜.核电机组辅汽及轴封供汽汽源综合经济改造.能源研究与管理():.赵巍巍.核电汽轮机轴封供汽系统的优化设计.吉林电力():.广东核电培训中心.压水堆核电站系统与设备.北京:原子能出版社:.兰 花.关于 核电站常规岛取消 系统的讨论.中国电机工程学会核能发电分会 年学术年会论文集三亚:中国电机工程学会核能分会:.赵福强祝洪青易朝晖.海阳核电一期 机组主要热力系统设计特点.节能技术():.孙汉虹程平东缪鸿兴等.第三代核电技术.北京:中国电力出版社.阳 欧高 扬.电加热器在超超临界机组轴封系统中的应用.汽轮机技术():.武心壮夏 栓.核电机组抽汽供热经济性分析.汽轮机技术():./.:/.:.(.):.廖 玮张敏杰田 宇.典型压水堆停堆后衰变热分布变化规律研究.河南科技():.王世勇张卫东石英等.核电厂机堆匹配主要接口参数优化.汽轮机技术():.粘志宇杨乃林张铭洋等.核电机组辅助蒸汽系统优化研究.电力勘测设计():.(上接第 页)总压损失系数沿叶展的分布曲线可以看到当来流攻角变化时栅后的总压损失系数分布曲线变化幅度很小 除近端壁处二次流动造成的高损失区域以外约 至 的叶展上节距平均的总压损失系数大约只有 说明叶型具有优良的气动效率图 叶栅出口节距平均的总压损失系数沿叶展的分布曲线本文所讨论的哈汽公司 超超临界汽轮机已有台机组运行于神华国华九江发电有限责任公司 广州粤能电力科技开发有限责任公司分别于 年 月和 月对 号机组和 号机组进行了性能验收试验以考核机组的各项经济技术指标是否达到合同规定的要求 试验结果表明:在机组额定工况下号机组和号机组的高压缸效率分别达到了.和.满足了合同规定的要求同时也验证了多级小焓降气动设计方法的有效性 结 论综上所述本文所进行的理论研究、验证试验以及机组设计运行实践表明:()多级小焓降叶片气动设计方法能够有效地提升汽轮机通流部分的效率尤其适用于端壁二次流损失和叶顶漏气损失占总损失比重较大的高压通流部分()对于一个确定的根径来说对应着一个可以获得最高效率的最佳级数 根径逐渐降低时最佳级数逐渐增加可以获得的最高效率逐渐提升()随着级数的增加(根径的降低)多级小焓降叶片设计方法对通流效率的积极影响在逐渐削弱 在实际的工程设计中并不是级数越多(根径越低)越好而是要综合各方面的因素进行现实的考量参 考 文 献 邹正平等.航空燃气轮机涡轮气体动力学:流动机理及气动设计.上海:上海交通大学出版社:.:.王仲奇等.弯扭联合成型叶片研究阶段的总结.中国航空学会(动力)第四届叶轮机学术研讨会论文集.汽 轮 机 技 术 第 卷