两种进汽结构气动性能的数值研究.pdf

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第58卷第2期2016年4月汽轮机技术TURBINETECHNOLOGYV01．58No．2Apr．2016两种进汽结构气动性能的数值研究王健，刘云锋，马天吟(哈尔滨汽轮机厂有限责任公司，哈尔滨150046)摘要：对传统进汽结构和新型切向进汽结构的流场细节进行了数值研究。通过对总压损失系数、阻力系数、马赫数分布以及出ISl截面压力不均匀度的分析，得到数值结果。计算结果显示：与传统进汽结构相比较，新型切向进汽结构本身的气动性能优于传统进汽结构，这包括总压损失小，阻力系数小，出口参数的不均匀度小。另外切向进汽结构可以为其后的压力级叶片提供了更为理想的的进汽条件，从而保证机组的经济性。关键词：汽轮机；切向进汽；CFD；数值模拟分类号：TK263．1文献标识码：A文章编号：1001—5884(2016)02-0093-02NumericalInvestigationonAerodynamicsPerformencebetweenTwoDifferentInletStructuresWANGJian，LIUYun-feng，MATian·yin(HarbinTurbineCompanyLimited，Harbin150046，China)Abstract：Numericalinvestigationhasbeencarrideoutbetweentraditionalinletstructureandnewtangentialinletstructure．Numericalresultshavebeenobtainedthroughanalysingthecoefficientoftotalpressureloss，thecoefficientofresistance，thedistributionofMachNumber．theunevennessoftotalpressureontheoutletsurface．Numericalresultsshowthataerodynamicsperformanceofnewtangentialinletstructureisbetterthantraditionalinletstructure．Becausethecoefficientoftotalpressureloss，thecoefficientofresistanceandunevennessoftotalpressureontheoutletsurfaceofnewtangentialinletstructurearelower．Moreover，tangentialinletstructurecouldprovideabetterinletconditionforsteam，ensuringeconomyofsteamturbineunit．Keywords：turbine；tangentialinlet；CFD；numericalsimulation0前言随着汽轮机技术的不断进步，超超临界汽轮机功率不断提高，汽轮机制造商对气动效率给予了越来越高的重视。以往工程师们大多比较关注叶型和叶片的优化设计，在此期间产生了许多优秀的理论和产品，如吴仲华院士提出的两相流面理论及王仲奇院士的弯扭叶片理论等。近年来，叶片领域的优化已经臻于完善，工程师们将工作的重点转向对进汽结构和排汽结构的研究。对于进汽结构的研究，肖蕾、方雅丽通过数值模拟方法，对亚临界300MW空冷汽轮机低压进汽部分进行了结构优化，解决了低压进汽段压损偏大的问题¨j。冯增国在计算中通过改变进汽扩张部分的角度、轴向长度等方案，利用多个方案的优化组合，得出了优化结构。“。目前对于汽轮机进汽结构的研究，大多集中在传统结构的优化上，但就不同进汽结构的气动性能的研究却很少。本文通过数值计算的方法，对比了传统进汽结构和新型切向进汽结构的气动性能，为汽轮机进汽结构开发和优化提供了新思路。1计算及分析1．1计算模型如图l所示，左侧为大家熟知的传统进汽结构，而右侧是近年来新开发的切向进汽结构。大量数值研究表明，在对称的结构中，其内部的流场未必对称。所以，为了更加准确地模拟进汽结构内部流场，对其结构进行整体建模。另外出丁汁算收敛陛考虑．将汁算区域的n5f1俺置作了适当的延长一图1进汽结构示意图收稿日期：2016-0】一20作者简介：王健(1985一)，男．硕士研究生，研究员级高级工程师，工程师。现主要从事汽轮机气动优化设计工作。 汽轮机技术第58卷1．2网格及边界条件在划分网格时，对于气动参数变化较大的位置进行了局部加密。以保证数值计算的精度。经过比较，网格数量最终确定在200万。在求解三维定常雷诺平均N—S方程组时，数值方法采用总能方程，湍流模型采用标准K—Epsilon模型，对于近壁面区域的流动采用Scalable壁面函数法进行处理。工质为过热水蒸汽。计算所用的边界条件有3种：进口边界、出口边界和壁面边界。在进口边界处，给定总温、总压；在出口边界处，给定质量流量；其余的面设置为无滑移壁面边界。1．3计算结果及分析在总参数的对比中，主要考虑以下参数：(1)总压损失：Cp,=≮≯总压损失一般用于估计总能量的损失程度。(2)阻力系数：f=譬—种u‘与总压损失类似，也用于估计总能量损失程度，但当流动进入到自模化区内后，阻力系数只与具体结构有关，故其应用范围更大。(3)出口压力不均匀度：P。．。。一卢。．。i。叼2—F用于表示截面的不均匀程度。以上各式中，P。。、卢。。表示进口和出口处的平均总压；队u表示出口处的密度和速度；A．。。卢。i。表示出口截面的最大总压、最小总压。表1为两种迸汽结构总参数的对比。从表l看出，切向进汽结构明显优于传统进汽结构。下面从流场的细节来详细分析其原因。表1两种进汽结构总参数的对比图2为两种进汽结构中分面的马赫数分布。对于传统进汽结构，从图中可见，进口处的马赫数较为均匀；但当蒸汽进入腔室后，蒸汽开始具有强烈的三维流动特性，靠近进口侧的马赫数明显高于远离进口侧的马赫数，另外在左右两侧的马赫数也明显不同。这一现象也再一次说明了，对称结构内部的流场未必是对称的。对于切向进汽结构，从图中可见，蒸汽进入腔室后，随着通流面积的减小、压力降低的同时，马赫数增大，反映了实际流动过程中焓降转变成了动能的过程。马赫数沿周向分布非常均匀，沿径向逐渐过渡，没有出现参数突变。传统进汽结构新型切向进汽结构图3出口截面总压分布2结论(1)就结构本身而言，切向进汽结构总压损失小，阻力系数小，出口参数的不均匀度小，气动性能明显优于传统进汽结构。(2)就对压力级叶片的来流条件而言，切向进汽结构能够提供更加均匀的来流，为压力级叶片在较为理想的来流条件下运行提供了基础。参考文献[1]肖蕾，方雅丽．300MW空冷汽轮机低压进汽部分结构优化[J]．热力透平，2009，38(3)：164—167，212．[2]冯增国．汽轮机低压进汽部分的数值计算和结构优化[J]．东方电气评论．2007，21(3)：21—23，31．