某超超临界汽轮机高压进汽腔整圈斜置静叶的数值仿真

杨建，牛茂升，郭栋，竺晓程，杜朝辉

1中国舰船研究设计中心，上海2011082上海交通大学机械与动力工程学院，上海200240

某超超临界汽轮机高压进汽腔整圈斜置静叶的数值仿真

杨建1，牛茂升1，郭栋1，竺晓程2，杜朝辉2

1中国舰船研究设计中心，上海201108
2上海交通大学机械与动力工程学院，上海200240

针对某超超临界汽轮机组，通过CFX数值软件模拟了汽轮机组进汽道及斜置静叶通道内部的流动情况。通过对内部流场的分析，可以得出静叶斜置后的利弊情况，通过观察进气角分布，周向各位置叶表的压力分布以及对应的速度矢量和压力分布，可以发现进汽腔体所带来的周向不对称性会对下游叶片流动产生较大的影响，使得静叶进口处的流动角差别较大，导致汽轮机偏离其工作条件。进汽腔配置斜置静叶之后，进汽腔所引起的出口处周向不均匀性在流经斜置静叶后会得到较大的改善，从而使得下游流动参数更加均匀，有益于机组的运行和转子寿命的延长。

超超临界汽轮机；高压进汽腔；数值模拟；斜置静叶

网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.tj.20160531.1104.034.html期刊网址：www.ship-research.com

引用格式：杨建，牛茂升，郭栋，等.某超超临界汽轮机高压进汽腔整圈斜置静叶的数值仿真［J］.中国舰船研究，2016，11 （3）：97-101.

YANG Jian，NIU Maosheng，GUO Dong，et al.Numerical simulation of skew stators with inlet chamber of ultra super⁃critical steam turbines［J］.Chinese Journal of Ship Research，2016，11（3）：97-101.

0　引　言

早在20世纪，汽轮机就因其强大的功率，常被作为大型舰船的主要推进设备。80年代后，蒸汽轮机—燃气轮机联合推进的出现，凸显了该联合推进装置运转平稳、热效率高的特点，现代蒸汽轮机—燃气轮机联合动力装置的热效率可达58%。而汽轮机作为该装置的重要组成部分，其研发及生产水平在一定程度上反映一个国家的基础工业实力，同时其技术成熟度也大幅制约着大型装备的设计与制造。尤其在现代舰船中，汽轮机作为联合推进装置的重要组成部分，其工作寿命以及运行稳定性都极大影响着舰船的安全性与生命力。目前，国内的汽轮机研究与国外发达国家还存在着较大的差距。

针对目前汽轮机发展的国情，同时基于当前我国火电为主的局面将长期存在的现状［1］，上海汽轮机有限公司引进西门子的超超临界汽轮机技术，结合公司自身原有的设计体系，在消化吸收国外先进技术的基础上，能够建立起超超临界汽轮机的自主设计体系［2］。

对于汽轮机而言，进汽情况在很大程度上影响着整机性能及功率输出［3］。在引进的某超超临界汽轮机组中，采用了单流加全周进汽相结合的进汽方式，有利于提高整机效率［4］，同时为了使整机结构更加紧凑、合理，在高压缸、中压缸的第一级都配置了一种独特的斜置静叶［5］。

在对中压缸进汽腔和斜置静叶的流动特征的数值模拟中［6-7］，发现中压缸进汽腔体出口的流动分布沿周向存在着明显的不对称性。

本文将通过对高压缸进汽腔体和与其相连的第一级整圈斜置静叶进行数值模拟及耦合计算，研究高压进汽腔体的周向不对称性对下游叶片流动的影响，为叶型设计和安装提供基础数据。

1　数值方法

高压缸在轴向上，可以分为前后2个圆筒型的外缸和1个有水平中分面的内缸［8］，图1为高压缸进汽腔体示意图，腔体出口带有一整圈斜置静叶，图2为斜置静叶示意图。

图1　高压缸进汽腔体Fig.1　Inflow chamber of high pressure cylinder

图2　高压缸进汽腔体、斜置静叶示意图Fig.2　Sketch map of high pressure inflow chamber and skew stator

为分析高压进汽腔体进汽的不对称性对下游叶片流动的影响，在进汽腔体出口的周向上，选取8个叶片，如图2（a）所示。其中，图1中B为进汽腔体出口圆周面，通过分析观察该面，可得出气流进入叶片前腔体出口流动角的分布情况。图2中D为静叶出口截面，可以分析气流通过静叶后的流动情况。

通过ANSYS ICEM软件采用四面体非结构化网格生成腔体的整体网格，同时，为了保证贴体网格质量，在壁面添加三层棱柱网格，叶片采用Turbo-Grid软件生成六面体结构化网格。进汽腔体和斜置静叶采用GGI交界面连接。

本文的三维计算采用CFX对流场进行数值模拟［9］，腔体进口给定流量和静温，静叶出口给定背压。采用CFX中基于IAPWS-IF97数据库的蒸汽作为工质。计算的收敛判据为RMS残差小于10-4，能够满足工程应用需要。

2　结果分析

2.1进汽腔内的流动

为了更好地分析进汽腔体的内部流动特征及流动的周向不对称性，图3给出了高压缸进汽腔中分面的压力云图。由于受到弯管曲率及流场逆压梯度的影响，管道截面上会产生二次旋流［10］。该现象的出现给流场带来了横截面方向上的动能和能量交换，既会改变主流方向的平均速度，又将减少流场的总压［10］。在进汽管和进汽腔体相连的变径弯管附近，类似于此种运动，曲率R2导致速度增加，压力减小，拐角处形成一个低压区。与此同时，在进汽腔体出口下方，可以发现存在2个低压区，经分析认为，这是由于绕轴旋转的周向速度其分量在曲率R1下所产生的离心力而产生的。由于曲率R1，R2所引起的离心力存在压力梯度，所以在进气腔内、外壁面上会出现压力梯度相互交替的现象。此外，在腔体顶部以及底部各存在1个高压区，该区域速度较低，且存在有多个漩涡运动。

图3　进汽腔中分面压力云图Fig.3　Pressure contour of association plane

为了更直观地描绘进汽腔出口处在圆周方向上的流动不对称性，图4所示为出口圆周面B（图1）上的周向流动角分布云图。周向、径向速度分量的大小决定了周向流动角的大小，体现了流动角流动方向与轴向的偏离程度。通过观察可以发现，进汽腔体左、右侧的周向流动角大小基本相等，方向正好相反，呈镜面对称状分布。在水平处，周向流动角达到最大值，约为63°，说明流动角度偏转约120°时存在较为明显的周向非对称性分布，从而导致下游斜置静叶入口冲角存在较大的变化范围。

图4　出口圆周面B流动角分布Fig.4　Contours of flow angle at plane B

气流在进汽腔体内流动时，虽然压力、速度沿圆周方向上的分布并不均匀，但是我们所关注的则是这样的不均匀性对下游流动的影响。蜗壳出口处流动角的变化范围，约为-63°～63°，呈镜面对称，存在明显的周向不对称性，为此需将进汽腔体和整圈静叶流道进行耦合计算，考察周向非对称性对第一级叶片流动的影响。

2.2叶片内的流动

为了更好地说明进汽腔内流动对其出口配置的静叶的影响情况，在进汽腔体周向每隔45°共选取了8个周向位置（图2（a））的叶片。因叶片沿着进汽腔呈中心对称，图5只给出了1～4号位置叶片在50%叶高处的叶表压力分布曲线。

图5　各叶片50%叶高处叶表压力分布Fig.5　Pressure distribution on blade surface of different blades at 50%spanwise

从图4可以看出，8个不同位置周向流动角约为-60°～60°，且互不相同。由于叶片的安装角完全相同，因此如果各叶片进口冲角不同，将会导致叶片前缘压力会存在较大差异。当叶片进口冲角为正时，流动滞止点出现在叶片吸力面侧，叶片前缘压差较小，呈尖头状分布（如叶片1所示）。当叶片进口冲角为负时，流动滞止点会出现在叶片压力面侧，流动滞止点与叶片前缘之间会出现较大压降，如叶片3压力分布所示。同时，可以发现各不同周向位置叶片的中后部的压力分布基本趋于一致，说明该透平叶片对进口冲角变化并不敏感［11］，因此该叶片能够适用于进口流动角度存在较大变化的场合。

图6所示为1～4号位置的斜置叶片在50%叶高处的压力分布云图以及S1流面速度矢量图。结合流动角分布（图4）可以看出，在叶片3位置的流动接近于轴向流动，由流动的中心对称性可知叶片7位置的流动也会呈现轴向流动分布。从速度矢量分布情况来看，叶片进汽边前的流动方式主要为轴向流动，叶片前缘的滞止点位于叶片进汽边附近。叶片2位置的流动角为-60°左右，叶片前缘滞止点位于叶片压力面侧，叶片4位置的流动角为60°左右，叶片前缘滞止点位于叶片吸力面侧。从速度矢量图与压力分布上来看，叶片2和4都没有明显的流动分离现象，说明该翼型对于进口冲角并不十分敏感。从叶片3和5位置的前缘压力分布可以发现，相比于叶片压力面滞止点附近的压力分布，吸力面侧的压力明显减小。

图6　不同位置处叶片50%叶高处的S1流面速度矢量图以及总压云图Fig.6　Absolute pressure contours and velocity vector of S1 stream surface at 50%spanwise

D位于斜置静叶出口1/4弦长处（图2），出口平面D上的压力和流动角分布云图如图7所示，以分析上游流动在圆周方向上的流动不对称性在经过静叶后的变化情况。从图7可以看到，受斜置静叶的影响，在叶顶附近可清楚地看到静叶的尾迹分布，相对于静叶距离较远的轮毂位置，尾迹的影响基本可以忽略，因此在周向分布上是对称的。可认为斜置静叶一定程度上消除了进汽腔内流动的周向不对称性，从而保证转子的进口气流可以更为均匀，确保机组运行的安全性。

图7　静叶出口D处的周向切面的总压分布、流动角分布Fig.7　Absolute pressure contours and flow angle of plane D

3　结　语

本文通过高压进汽腔体的数值计算分析，得出腔体的周向非对称性，导致了进汽腔体的流动沿周向也是非对称的，同时腔体存在有曲率的通道，这将导致内部流动的分离，这很有可能影响下游的叶片偏离工作条件。

同时，高压进汽腔体出口的流动不均匀性在一定程度上使得第一级进汽角沿轴向存在较大的差异，导致进口冲角在圆周方向上有较大的波动。而高压进气腔配置的斜置导叶则通过改变子午面的流线曲率（该子午面流线曲率产生的离心力可抵消一部分周向速度产生的离心力），从而使得沿叶高方向压力分布以及反动度分布得以改变，提高叶根反动度以及减小叶顶反动度，有利于改善叶片级的经济性。

正由于透平叶片对来流角度的不敏感，使得该种叶片可以适应较大范围的来流角度。高压进汽腔配置了斜置静叶后，能够很好地消除进汽腔体产生的周向不均匀气流，使得进入转子时气流均匀，一方面有利于机组的运行，另一方面能保证在转子中的工况，有利于提高转子的寿命。

进汽腔配置斜置静叶能够有效保证进汽的初温与初压，适合较大区间的气流进口角，保证转子能够适应更宽的工况范围，有利于提高转子寿命，从而保证机组运行的可靠性，使得机组运行更加稳定。在当代蒸—燃联合推进装置中如能够有效地推广该技术，将有利于提高国产装备的通流设计水平，有利于延长转子寿命，从而更好地保证舰船的安全性与生命力。

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Numerical simulation of skew stators with inlet chamber of ultra supercritical steam turbines

YANG Jian1，NIU Maosheng1，GUO Dong1，ZHU Xiaocheng2，DU Zhaohui2

1 Shanghai Division，China Ship Development and Design Center，Shanghai 201108，China
2 School of Mechanical Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China

In this paper，numerical simulation of skew stators with inlet chamber of ultra supercritical steam turbines is carried out through CFX.By analyzing the inner flow field of skew stators，losses and ben⁃efits from skew stators can be obtained，which provides references to future design of skew stators and im⁃proves the through-flow design.Based on the distribution of the flow angle at the inlet，the blade surface pressure at different circumferential positions，and the velocity vectors and static pressure contours at 50% span，it could be concluded that the circumferential asymmetry due to inlet chamber would affect the flow in downstream blade rows，causing deviation in the working state of the steam turbine，eventually undermin⁃ing the machine.However，with a row of skew stators installed，the circumferential asymmetry condition is improved significantly，and the flow in the downstream blade rows becomes much more uniform，which is seen to be helpful for the operation of the turbine and the protection of rotors.

ultra supercritical steam turbine；high pressure cylinder；numerical simulation；skew stator

U664.1

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2016.03.017

2015-06-09网络出版时间：2016-5-31 11:04

杨建（通信作者），男，1985年生，硕士，工程师。研究方向：船舶动力装置。

E-mail：ninjayang@163.com