空冷汽轮机末级叶片的三维流场分析

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1、第19卷第2期2005年6月东方电气评论DONGFANGDIANQIPINGLUNV01．19No．2Jun．2005文章编号：1001—9006(2005)02—0075—05空冷汽轮机末级叶片的三维流场分析吴其林，钟刚云(东方汽轮机厂，四川德阳618000)摘要：应用先进的计算流体力学(CFD)软件完成了大功率空冷汽轮机末级流场特性分析，计算分析结果基本揭示了末级叶片流道内的复杂流动状态，对提高末级叶片的气动设计水平发挥了重要作用。先进的计算流体力学技术应用于汽轮机的通流设计。不但能有效提高机组的通流效率，还将大大缩短设计周期，降低设计

2、成本。图9表4参5关键词：空冷汽轮机；CFD技术；末级叶片流场中图分类号：TK263．3文献标识码：A1前言计算流体力学(CFD)是流体力学的一个重要分支，是在经典流体力学、数值计算方法和计算机技术的基础上建立和发展起来的，它研究的是流体力学诸方程的数值解法以及用数值方法模拟真实流体流动现象，可以解决实验流体力学和理论流体力学难解决的问题。随着计算机技术与数值计算方法的飞速发展，叶轮机内部流场的全三维求解技术已发展得相当成熟，广泛应用于国防、航空、航天、水面运输、民用电力、能源、动力设计等各个领域。本文采用C3DS和AEA公司的流体软件CF

3、X．TASCFLOW完成了一空冷末级长叶片的全三维流场优化设计。三维优化设计是在完成了可控涡流型优化设计⋯，初步确定静、动叶型及流型后15】，进一步对流场结构进行微观设计。根据计算分析，精调静、动叶的成形规律，使全三维流场特性达到最优，最终完全确定静动叶的叶型及成形规律。计算分析结果表明：通过全三维流场优化设计后，流场特性得到明显的改善，级效率提高了0．8％。从初始方案到最终气动设计方案大约在60天完成，充分体现了全三维数值试验方法在叶片级气动设计中的高效性，并且免去了实物叶栅实验所需要的长周期和高昂的实验费用。为了使获得的流场特性结论可信

4、，在分析中采用了两个成熟的CFD分析软件进行对比分析。2数值方法简介CFD分析软件的求解原理在文献⋯中有详细的介绍，本文不再赘述。该软件采用有限体积法(FVM)[31，微分方程的离散根据计算的不同需要有多种精度可选。CFX—TASCFLOW的离散格式采用上风差分格式n1，引人了物理对流修正项的LPS和MWS差分格式，可以将差分格式带来的误差减少到最小。采用压力校正法求解低速不可压流动，在可压缩流动中则采用耦合解法(连续方程、动量方程与能量方程联立)求解㈦。湍流模型采用二方程模型，有k—s模型、k一09模型和SecondMomentClosu

5、re模型【l】可供选择。计算中，、动、静叶间的连接根据计算的不同可以采用多种方式，如稳态的级连接方式与瞬态的级连接方式。稳态的级连接方式在工程分析中应用广泛，这种方式在动、静参考系的求解中同时使用周向平均，得到定常解，在滑移的交界面上产生一个混合损失，它计及了两个叶片排之间的时间平均交互影响，忽略了叶片排之间的瞬态交互影响。3空冷末级叶片气动设计及分析3．1热力设计参数该叶片是以某空冷机组末级的热力设计参数作为设计输人条件，其设计参数见表1。76东方电气评论第19卷3．2动、静叶型线设计表1热力设计参数流量G／t·h“级前压力PI／kPa级

6、后压力P2／kPa等熵焙降H,／kJ·(ks)“内功率N一／kW内效率，，一／％出口角a2／。静叶中径D。／mm静叶高度厶／mm静叶出口角Oils／o动叶中径Dd／mm动叶高度LJmm动叶出口角口z。／。静叶片叶型是在层流叶型基础上优化设计的新一代高效静叶，采用可控涡弯扭成形技术，根部采用了型线子午流道，以改善根部流动特性；出汽边厚度为0．38mm，以减小尾迹损失和动叶激振力。动叶根部叶型是改进的“K”型通道叶型，中部叶型是改进的收缩型通道叶型，上部叶型是改进的缩放型通道叶型，分别与相应的马赫数相适应，且上部叶型在设计时，减小了相对栅距，其

7、流道具有较大的盖度，这种设计对改善叶栅的变工况性能十分有利。3．3静、动叶型优化及流型优化设计以上述选定的静、动叶型线为基础，按马赫数相近、相对栅距基本不变的原则，进行模化改进设计，来适应空冷机末级的变工况特性。静叶采用可控涡流型设计，从根部出气角(18．20)到顶部(11．6。)反扭控制涡。为满足匹配，动叶采用扭曲动叶设计，实现了动叶的攻角、反动度沿叶高合理匹配。通过优化得到有高的级效率和优良变工况特性的级优化流型。3．4末级叶片全三维粘性气动计算采用全三维粘性流场CFD软件计算分析该叶片级的全三维流场特性。根据计算分析，精调静动叶的叶型

8、及成形规律，使全三维流场特性达到最优，最终完全确定静、动叶型及成形规律。下文简述了最终设计方案的三维计算结果及分析。计算采用两种软件进行，使用C3DS进行方案优化，使用CFX．T