isight在汽轮机排汽缸气动优化中的应用

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1、ISIGHT在汽轮机排汽缸结构优化中的应用李殿玺刘子亘李春清(.哈尔滨船舶锅炉涡轮机研究所，黑龙江，哈尔滨，150036)摘要汽轮机排汽缸的改进是提高汽轮机效率的主要措施之一。以商业优化软件Isight为平台，应用流动分析软件，对某汽轮机排汽缸采用一次正交试验全局寻优、两次拉丁方试验局部寻优及局部设计改进方法，进行了总损失系数及出口气流均匀系数双目标的结构优化，使气动总损失系数降低23%，出口气流均匀系数提高8.6%，获得了阶段性成果，证实了优化策略对解决同类问题的合理性。关键词：汽轮机、排汽缸、结构优化1引言汽轮机排汽缸的主要作用是利用汽轮机末级出口的余速动能，把已经做功的末级出口的乏汽

2、导入冷凝器，排汽缸研究的目标是优化组织乏汽在排汽缸内的流动，寻求最大利用末级出口的余速动能，在冷凝器真空度给定的条件下，增加汽轮机的有效焓降，提高汽轮机的效率。排汽缸结构的最优化一直是排汽缸研究的重要课题。本文以商业优化软件为平台，以流动分析软件为气动性能分析工具，对两端进汽、中间下排汽型式的低压汽轮机一侧排汽缸进行了优化，取得了预期效果。2优化方案2．1优化目标及约束条件1)优化目标汽轮机排汽缸的性能评估参数很多，如排汽缸总损失系数、压力恢复系数、出口气流均匀系数、排汽缸振动、噪声指标等。本文进行排汽缸气动性能的优化，以总损失系数ζn、出口气流均匀系数χ作为排汽缸的优化目标，其计算方法如

3、下：P−P203ζ=（1）nP−P202k3χ=（2）k3其中P20、P2——排汽缸进口平均总压、平均静压k3——排汽缸出口按面积加权平均动压k——排汽缸出口按流量加权平均动压3P3——排汽缸出口平均静压2)设计变量图1为排汽缸去壳后的几何模型。排汽缸进汽管、导流叶栅、排汽缸延长段是为了CFD数值分析边界条件的给定，不属于排汽缸。为了在提高气动性能的同时不降低排汽缸的结构强度，选择排汽缸壳体、排汽缸扩压器、斜加强柱组件、汽缸轴向连接筋进行优化。图1排汽缸几何模型（去壳体）图2排汽缸壳体的形状控制a)排汽缸壳体的成型过程及变量在XZ平面上生成外壳一侧的轮廓线（即图2中的样条线spline4、

4、直线line5），将其镜向形成另一侧的轮廓线，连接两侧端点构成封闭壳体轮廓线。由封闭轮廓线创建壳体前侧表面，表面拉伸形成排汽缸涡壳。从生成过程看，spline4，line5决定排汽缸的形状，为排汽缸的形状控制线。该形状控制线有14个变量，为降低变量数，每个点固定一坐标，只变另一坐标。这样，该控制线有7个变量。它们分别为z41、x42、x43、x44、x45、x46、x52，z41代表spline4的第一点的Z坐标，x52代表直线line5第二点的x坐标，其他类推。b)排汽缸扩压器外环的成型过程及变量由于末级后具有扩压作用的外环与低压缸的内缸体相连，本文排汽缸扩压器外环实际包括了部分排汽缸内

5、缸。扩压器外环是由图3的成型面绕Y轴旋转形成旋转体，并对外边缘倒角形成的。成型面由8条线构成，样条线1的④⑤两点的坐标决定叶栅后具有扩压作用的外环的形状。为了减少变量个数，④点x坐标固定，其它三个坐标作为变量。由于样条线1标号为2638，三个坐标依次表示为y26384、x26385、y26385。图3扩压器外环成型面图4排汽缸θ、φ角定义c)斜加强柱组件、轴向连接筋的角度位置变量根据图4，斜加强柱组件与竖直面的夹角，作为变量θ定义汽缸轴向连接筋与竖直面的夹角为安装角，作为变量φ汇总起来，排汽缸总共有12个结构参数变量。2．2优化策略选择本排汽缸计算域大，结构复杂，单次仿真时间长，由于软硬件

6、条件的限制，不能采用大规模的并行计算，以减少优化时间。为节省优化时间，首先采用多变量、多水平正交试验法获得多个样本，建立响应模型以取代仿真程序，但无论采取何种响应模型，优化结果都与实际仿真验证偏差较大，导致优化失败，这源于设计变量与输出间的关系复杂，高度非线性，合适的变量水平数以及总样本数无法判断，难以获得足够准确的响应模型。因此，采取完全依靠数值仿真的方法进[1]行排汽缸的优化。首先以排汽缸优化通常的采用正交试验法进行优化，以较少的因子水平数对整个设计空间进行抽样，从而初步了解设计空间的性质、变量对目标的影响程度，选择主要影响变量，缩小设计空间；然后，采用拉丁方试验优化，对新的设计空间细

7、分，逐步逼近优化解；最后，对获得的优化方案进行流场分析，进行局部的结构改进，获得气动性能更优的排汽缸结构方案。2．3排汽缸气动性能仿真在排汽缸的优化过程中，以排汽缸内流动的数值仿真取代气动试验获得排汽缸的气动性能。为将优化时间控制在可接受的范围内，要求数值模拟速度快、并具有一定精度。由于传统排汽缸的正交试验优化都是在冷态、空气试验台上通过模型试验完成的，数值模拟中采用湿蒸汽为工质所需时间要比空气长得多，计算结果也缺乏试验