核电汽轮机高压进汽分流结构的优化分析

（东方汽轮机有限公司，四川 德阳 618000）

核电汽轮机高压进汽分流结构的优化分析

陶功新，段增辉，钟主海

（东方汽轮机有限公司，四川 德阳 618000）

本文对某核电站1、2号机组汽轮机高压缸通流改造方案中的高压进汽分流结构进行了研究和分析，通过气动分析，优化高压进汽分流结构，减少压力损失，保证设计方案的可行性。

通流改造；优化；进汽结构；气动分析

2000年以后，国内新建核电机组大部分都在百万千瓦以上。随着机组老化、运行问题、扩容需求等因素，一些核电机组陆续进行了改造。某核电站1、2号机组高压缸通流改造由东方汽轮机有限公司承担，也是国内汽轮机制造厂商首次承担的百万千瓦核电机组改造。

该核电站1、2号汽轮机组型式为单轴、五缸八排汽、中间一次再热、冲动凝汽式、全转速核电汽轮机组。末级叶片选用钛合金1200mm叶片，额定功率1060MW。

该两台机组高压模块的扩容改造设计点为增容至102%额定流量。

结合以往的工程经验和流场分析可知，“汽缸进排汽部分”的压力损失占整缸总损失的比例大概在10%左右。在进行汽轮机通流改造时也可以在这些区域挖掘潜力，通过优化汽轮机进、排汽结构的型线提高缸效率。为了进一步提高改造机组的经济性，本文将着重对高压进汽分流结构进行优化和分析。

1 汽轮机高压进汽分流结构及优化

该核电汽轮机组的总体型式是由一个双分流的高压缸和四个双分流的低压缸组成。一个完整的高压进汽分流结构由进汽球壳体、高压内缸进汽腔室、高压进汽分流环三个部分组成。

该机组高压通流部分为双分流结构，进入高压内缸中部环形进汽腔室后的蒸汽被分流至前后两个相同的高压通流部分做功。结合工程经验，由于高压进汽蒸汽参数较高，品质也较高，优化该处的进汽结构可以得到明显的收益。基于上述原因，对其中的高压进汽分流环的结构进行了优化，并进行了优化前后的流场对比分析（图1）。

图1 优化前后分流环结构

从原高压进汽分流环结构可以看出，其叶根处导流结构为两个圆柱形的筒体，该结构无法主动引导蒸汽向前后两侧分流。由于蒸汽流速较高，在中间位置会产生流体漩涡及大量的边界层，从而引起较大的压损。

优化后的高压进汽分流环采用“人”字型结构，并与前后两侧高压第一级隔板内环配准并把合在一起，与高压内缸进汽腔室型线组成完整的光滑流道。该结构能够主动引导蒸汽向前后两侧分流，避免蒸汽产生漩涡及过多的边界层，从而显著的降低压损。

为验证优化前后高压进汽分流结构气动性能的好坏，在进行改造方案设计的过程中有必要对该进汽结构整体的气动性能及其内部流场进行计算流体力学（CFD）分析。

2 优化前后的流场分析对比

2.1 数值模拟计算方法

计算中湍流模型选用SST模型，方程的离散采用二阶差分格式。边界条件按设计数据给定，进口边界条件给定进口总压P0和总温T0， 出口边界条件为流量G1，壁面按绝热处理，壁面附近粘性支层的处理采用标准壁面函数法。

通过不同进气室结构的三维流场特性的数值模拟，得到了各方案的总压损失系数，并找出总压损失系数最低的方案。

总压损失系数定义：

2.2 计算模型及边界条件

建立分析模型，为便于进行气动分析，将完整的高压进汽分流结构的内部进汽腔室采用实体化，并进行优化前后的流场分析对比。

用Pro ENGINEER软件对高压进汽结构汽道进行了全尺寸三维建模，模拟分析共计算了两种进汽方案，方案一为优化前的结构，方案二为优化后的结构。

采用ANSYS_workbench根据流态变化的快慢和流道曲率变化的网格函数对进气室进行非结构网格划分,壁面第一层网格去0.01mm。

数值计算使用商用软件CFX，采用SST湍流模型，工质采用可凝结流体的水蒸汽。计算工况为蒸发器额定热功率工况。

2.3 计算结果

改造前后的高压进汽分流结构内部进汽腔室流场分析见图2、图3和图4。

图2 原高压进汽分流结构流场分析

图2 和图3是两个模型的流线图以及压力分布图。从图中可以看出优化前的流线在进汽管与进汽腔室结合部附近小部分范围不光顺，其余大部分都是光顺的，而优化后在整个区域内流线都是光顺，进汽室流场比较均匀，没有大的涡流的存在，因此优化后的气动性能更好，较优化前进汽效率相对较高。

优化前后的总压损失对比如表1所示。

表1

图3 优化后高压进汽分流结构流场分析

图4 高压进汽分流结构模型出口截面总压及流速分布图

经过对优化前后高压进汽分流结构内部腔室的气动分析可知，优化后结构的总压损失远远小于原设计结构的总压损失。经计算，该结构优化后，在额定热功率工况下，机组有350kW左右的出力收益。因而对该结构优化具有明显的经济效益。

3 结语

汽轮机通流改造的目的是为了提高效率和机组出力。有效降低进汽和排汽部分的压损，也是提高汽轮机组效率的研究方向。本文对高压进汽分流结构的气动分析表明，改进后的进汽模型的总体气动性能较原结构有所提高，对整个汽轮机高压缸通流改造的设计方案有较大的指导意义。

[1]冯增国. 东方电气评论：汽轮机低压进汽部分的数值计算和结构优化，2007,9.21(3).

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