某背压机组内外缸夹层结构设计与气动损失分析

引言

工业汽轮机除应用于电站、船舶以外,还可驱动各类泵、鼓风机、压缩机等,广泛应用于石化炼油、化工、冶金、制糖、建材等国民经济的各个领域。提高工业汽轮机效率的途径包括通流部分的提效和气流通道的优化。近些年来,许多工程师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,气流通道部分的研究和改进不是很多,而工业汽轮机的进气通道相比电站汽轮机在结构上更紧凑,气流更紊乱,流动损失更大,可改进空间更大。通过对其复杂流场的分析进而指导气流通道结构的改进,可以减小气流通道的压损和入口气流的不均匀度,从而提高整机的效率。在小恰降、大流量的背压式汽轮机中,气流通道改进的收效将更加显著。

1结构设计与分析模型

图1为本次所设计的夹层气动结构半剖面图。图2为夹层气动模型边界条件示意图,其中,0-0截面是夹层进口,即内缸持环出口,它与回流前动叶出口相接:1-1截面是夹层出口,即导叶进口边界,后面跟着一级导叶,该面为夹层模型与叶片模型的交界面:2-2截面是导叶出口边界,也是计算出口边界。沿着流向,蒸汽方向经历了180o的变化,依次经过截面0-0、截面N(N=1,2,3,4,5)、截面1-1、截面2-2。其中,0-0截面的夹层进口底径为D01=667mm,进口顶径为D02=847.8mm,进口面积s0=m/4×(D012-D022):1-1截面导叶进口底径为D11=670mm,进口顶径为D12=815.4mm。

2气动模型与数值计算方法

本次研究采用ANSYSCFx对"夹层＋导叶"气动模型进行三维分析,共计算了6个工况,如表1所示,表中绝对气流角a0-0为动叶出口绝对速度C0-0与其圆周速度U的夹角。

首先采用So1idworks对实际结构进行几何清理,再采用meshing对夹层模型进行网格划分,该部分网格为四面体网格,设置合适的第一层网格厚度,总网格数为1662万:采用5Truogrid对导叶模型进行网格划分,该部分网格为六面体网格,并设置合适的第一层网格厚度,导叶共68只,其总网格数约为460万,如图3所示。给定夹层进口面总压P0-0,tot、总恰H0-0,tot,给定流动方向a0-0,给定导叶出口面流量M6-6:根据右手准则,转子转向为右旋,给定动叶出口底径壁面旋转速度3000r/min,并设置一定的出口延长段,除在夹层出口与导叶进口处建立交界面外,其余面设置为绝热无滑移壁面。整个气动模型的示意图如图4所示。计算工质选用1APws-97中的过热蒸汽物性,湍流模型选用k-epsi1on双方程模型。这里需要注意的是,夹层进口并非是动叶出口,而是内缸出口,为了能与热力分析程序计算的动叶出口速度做比较,在动叶出口绝对气流角a0-0不变的假设下,需要就s0与动叶出口环形面积进行一定的折算。

图3整圈导叶网格模型

3结果对比

在分析中需要用到以下公式:

总压损失=(P0-0,tot-P1-1,tot)/P0-0,totx100%

静压损失=(P0-0,sta-P1-1,sta)/P0-0,sta×100%或

(P0-0,sta-PN,sta)/P0-0,sta×100%

图4整体气动模型示意图

其中,下标tot代表总压,sta代表静压,N代表不同截面位置。

图5为夹层进口动能与总压压损之间的关系,随着流量的减小,根据速度三角形关系,夹层进口的绝对速度在周向上的分量cU方向从与圆周速度U相反慢慢变成同向,进口动能在0.7~0.8kJ/kg附近出现拐点,总压损失呈现出减小趋势。图6为导叶进口动能与总压压损之间的关系,随着流量的增大,总压损失单调递增。

为保证工程设计的可靠性,在数值计算静压压损的基础上,给定1.1倍的设计裕量(等于2%的计算偏差裕量×2%的形状偏差裕量)。图7给出了折算后的动叶出口动能(c0-06/6000)与实际静压压损之间的关系,图8给出了动叶出口流量系数(c0-0Z/Urms,c0-0Z为0-0截面轴向速度,Urms为动叶出口中径处圆周速度)与导叶进口动能(c1-16/6000)、实际静压压损之间的关系,随着流量的增大,动叶流量系数递增,夹层结构对应的静压损失以及导叶的进口动能同样线性增加。

图9为不同工况下不同截面N处的实际静压损失变化,其中0截面与0-0位置一致,6截面与1-1截面位置一致。从图中可以看出,case1~case4这四个工况在0一1这段结构的损失增加较为明显,case5在0一1段结构的损失增加幅度较小,case6在0一1段结构的损失值是负值,说明这部分产生了静压恢复效果:所有工况在1一4段结构的损失变化均较为平缓,呈现出先减小后增大的规律,其中case6在1一4段结构的损失均为负值:所有工况在4一6段的损失增加均非常明显,且流量越大,增加幅度越大,这也充分说明了4一6段结构的优化空间较大,是减小损失、提高能效应重点关注的部分。

4结语

本文给出了一种背压式汽轮机内外缸夹层结构,并对该结构进行了宏观的气动损失分析。分析结果表明,夹层结构的损失与导叶进口动能、动叶出口动能存在一定的关系,其静压损失在进口段与出口段的分布较为集中。本次分析为机组设计者进行参数选取提供了依据,也为工程设计与结构优化带来了便利。