引言

工業(yè)汽輪機除應用于電站、船舶以外,還可驅(qū)動各類泵、鼓風機、壓縮機等,廣泛應用于石化煉油、化工、冶金、制糖、建材等國民經(jīng)濟的各個領域。提高工業(yè)汽輪機效率的途徑包括通流部分的提效和氣流通道的優(yōu)化。近些年來,許多工程師及科研工作者在提高通流部分的效率上做了很多工作。相比于通流部分的提效,氣流通道部分的研究和改進不是很多,而工業(yè)汽輪機的進氣通道相比電站汽輪機在結構上更緊湊,氣流更紊亂,流動損失更大,可改進空間更大。通過對其復雜流場的分析進而指導氣流通道結構的改進,可以減小氣流通道的壓損和入口氣流的不均勻度,從而提高整機的效率。在小恰降、大流量的背壓式汽輪機中,氣流通道改進的收效將更加顯著。

1結構設計與分析模型

圖1為本次所設計的夾層氣動結構半剖面圖。圖2為夾層氣動模型邊界條件示意圖,其中,0-0截面是夾層進口,即內(nèi)缸持環(huán)出口,它與回流前動葉出口相接:1-1截面是夾層出口,即導葉進口邊界,后面跟著一級導葉,該面為夾層模型與葉片模型的交界面:2-2截面是導葉出口邊界,也是計算出口邊界。沿著流向,蒸汽方向經(jīng)歷了180o的變化,依次經(jīng)過截面0-0、截面N(N=1,2,3,4,5)、截面1-1、截面2-2。其中,0-0截面的夾層進口底徑為D01=667mm,進口頂徑為D02=847.8mm,進口面積s0=m/4×(D012-D022):1-1截面導葉進口底徑為D11=670mm,進口頂徑為D12=815.4mm。

2氣動模型與數(shù)值計算方法

本次研究采用ANSYSCFx對"夾層＋導葉"氣動模型進行三維分析,共計算了6個工況,如表1所示,表中絕對氣流角a0-0為動葉出口絕對速度C0-0與其圓周速度U的夾角。

首先采用So1idworks對實際結構進行幾何清理,再采用meshing對夾層模型進行網(wǎng)格劃分,該部分網(wǎng)格為四面體網(wǎng)格,設置合適的第一層網(wǎng)格厚度,總網(wǎng)格數(shù)為1662萬:采用5Truogrid對導葉模型進行網(wǎng)格劃分,該部分網(wǎng)格為六面體網(wǎng)格,并設置合適的第一層網(wǎng)格厚度,導葉共68只,其總網(wǎng)格數(shù)約為460萬,如圖3所示。給定夾層進口面總壓P0-0,tot、總恰H0-0,tot,給定流動方向a0-0,給定導葉出口面流量M6-6:根據(jù)右手準則,轉子轉向為右旋,給定動葉出口底徑壁面旋轉速度3000r/min,并設置一定的出口延長段,除在夾層出口與導葉進口處建立交界面外,其余面設置為絕熱無滑移壁面。整個氣動模型的示意圖如圖4所示。計算工質(zhì)選用1APws-97中的過熱蒸汽物性,湍流模型選用k-epsi1on雙方程模型。這里需要注意的是,夾層進口并非是動葉出口,而是內(nèi)缸出口,為了能與熱力分析程序計算的動葉出口速度做比較,在動葉出口絕對氣流角a0-0不變的假設下,需要就s0與動葉出口環(huán)形面積進行一定的折算。

圖3整圈導葉網(wǎng)格模型

3結果對比

在分析中需要用到以下公式:

總壓損失=(P0-0,tot-P1-1,tot)/P0-0,totx100%

靜壓損失=(P0-0,sta-P1-1,sta)/P0-0,sta×100%或

(P0-0,sta-PN,sta)/P0-0,sta×100%

圖4整體氣動模型示意圖

其中,下標tot代表總壓,sta代表靜壓,N代表不同截面位置。

圖5為夾層進口動能與總壓壓損之間的關系,隨著流量的減小,根據(jù)速度三角形關系,夾層進口的絕對速度在周向上的分量cU方向從與圓周速度U相反慢慢變成同向,進口動能在0.7~0.8kJ/kg附近出現(xiàn)拐點,總壓損失呈現(xiàn)出減小趨勢。圖6為導葉進口動能與總壓壓損之間的關系,隨著流量的增大,總壓損失單調(diào)遞增。

為保證工程設計的可靠性,在數(shù)值計算靜壓壓損的基礎上,給定1.1倍的設計裕量(等于2%的計算偏差裕量×2%的形狀偏差裕量)。圖7給出了折算后的動葉出口動能(c0-06/6000)與實際靜壓壓損之間的關系,圖8給出了動葉出口流量系數(shù)(c0-0Z/Urms,c0-0Z為0-0截面軸向速度,Urms為動葉出口中徑處圓周速度)與導葉進口動能(c1-16/6000)、實際靜壓壓損之間的關系,隨著流量的增大,動葉流量系數(shù)遞增,夾層結構對應的靜壓損失以及導葉的進口動能同樣線性增加。

圖9為不同工況下不同截面N處的實際靜壓損失變化,其中0截面與0-0位置一致,6截面與1-1截面位置一致。從圖中可以看出,case1~case4這四個工況在0一1這段結構的損失增加較為明顯,case5在0一1段結構的損失增加幅度較小,case6在0一1段結構的損失值是負值,說明這部分產(chǎn)生了靜壓恢復效果:所有工況在1一4段結構的損失變化均較為平緩,呈現(xiàn)出先減小后增大的規(guī)律,其中case6在1一4段結構的損失均為負值:所有工況在4一6段的損失增加均非常明顯,且流量越大,增加幅度越大,這也充分說明了4一6段結構的優(yōu)化空間較大,是減小損失、提高能效應重點關注的部分。

4結語

本文給出了一種背壓式汽輪機內(nèi)外缸夾層結構,并對該結構進行了宏觀的氣動損失分析。分析結果表明,夾層結構的損失與導葉進口動能、動葉出口動能存在一定的關系,其靜壓損失在進口段與出口段的分布較為集中。本次分析為機組設計者進行參數(shù)選取提供了依據(jù),也為工程設計與結構優(yōu)化帶來了便利。