12 MW汽轮机调节级叶片的优化仿真

耿毫伟，周俊杰

(郑州大学，河南 郑州 450001)

汽轮机作为蒸汽动力装置的主要设备之一，是将蒸汽的热能转换成机械功的一种旋转式机械，其在航空、火力、电力、水力、核能发电设备及新能源的利用等都有着广泛的应用[1]。近些年来，随着我国对能源需求量的不断增大，煤炭价格也是持续上升，电、煤供应形势显得格外严峻[2]，因此，对汽轮机进行气动性能的数值计算，从而找到提高汽轮机发电效率和降低能耗的方法成为了当前电力行业刻不容缓的艰巨任务[3]。国内外学者对汽轮机的数值仿真也一直没有停止过。

常东峰、谷伟伟以600 MW汽轮机调节级为研究对象，分析了复合阀和顺序阀两种配气方式3中工况下调节级叶片的气动载荷，并采用三维有限元法数值分析了三种工况下的瞬态动力响应和动应力[4]。范小平、曹守洪等采用有限元方法调节级动叶采用双T型叶根的成组调节级频率进行了计算，准确模拟了调节级动叶实际工作状态，提高了计算精度[5]。本文以12 MW轴流式汽轮机为研究对象，并对其进行了几何结构优化。

1 几何结构优化

1.1 几何模型

图1 几何模型

为了详细的准确的模拟计算，利用SolidWorks按照比例1∶1进行几何建模，先分别画出喷嘴，动叶栅，转导，由于其实圆周阵列分布，因此取一个单元进行计算。再由SolidWorks进行组装配合得到几何模型，如图1所示。

1.2 网格划分

利用mesh进行网格划分，采用结构化网格划分时，其网格质量采用非结构网格划分时要差，另外，Meshing的强大功能主要体现在非结构网格划分上，生成网格的时间也较快。如图2所示。

图2 网格划分

1.3 边界条件设置

表1 进出口类型及边界条件

在CFX软件中，定义喷嘴的进口为inlet，第二级叶栅的出口为outlet。根据汽轮机叶片之间相互运动的周期性，在静叶和动叶垂直于轴向的截面位置为周期性边界，在静叶和动叶之间的交界面采用stage模式。

1.4 求解设置

在ANSYS CFX-Pre中，旋转机械的壁面函数有no slip wall、free slip wall和rotating(no slip)三种方式。由于此次仿真计算没有考虑叶顶间隙的影响，壁面函数采用no slip wall。工质为理想水蒸汽，导叶和喷嘴设置为静止，一、二级叶珊为旋转，转速为3000 r/min。求解方式采用High Resolution，收敛控制为自动时间尺度(auto timescale)。求解残差控制在1×10-5。

2 汽轮机叶片的气动性能分析

2.1 静、动叶型线的优化

对于静、动叶的优化，通过改变型线的头缘，尾缘，内弧和背弧的半径，来改变型线的形状，通过CFX对其优化过的型线进行数值校核，得到了最优的型线。型线图和型线尺寸如表2、3所示。

表2 静叶型线优化前后尺寸

表3 动叶型线优化前后尺寸

2.2 数值模拟分析

利用CFX对优化后的型线进行数值模拟，对其结果进行分析得出温度，压力，等熵效率，轴功率等随轴向距离的变化曲线。

图3 优化前后温度云图

图4 优化前后速度云图

图5 优化前后沿轴向距离的温度变化曲线

图6 优化前后沿轴向距离的速度变化曲线

图3、图4分别为优化前后的温度和速度云图；图5、图6分别为优化前后温度、压力随轴向距离的变化曲线，结合两个温度云图可知蒸汽在喷嘴和转导出的温降和压降都比较大，从而体现出了喷嘴处的做功能力比较高，优化前的温降为60℃，而优化后的温降大概为82℃，相比原先温度降低了22℃，从而增大了进出口焓降；由图4分析可知，在喷嘴出口处的速度相对于优化前而言，优化后的速度增加，说明喷嘴出口处的蒸汽动能增加，而在叶栅出口的速度要比优化前的叶栅出口速度低，从而在整个调节级的蒸汽流动过程中，蒸汽的动能转化为叶栅的机械能有所改善，使汽轮机的效率得到提高。

图7 优化前后轴功率随轴向距离的变化曲线

图8 优化前后等熵效率随轴向距离的变化曲线

图7为优化前后轴功率随轴向距离的变化曲线，从图中可以看出优化后轴功率要比原来提高了1.2 kW，平均增长率了11.6%左右，从而体现出对原始型线优化后，在喷嘴处高温高压蒸汽的热能转变蒸汽的动能的效率有了很大的提高，同时在叶栅中蒸汽的动能转化为动叶的机械能，能量的损失较之原型线而言也有了一定的提高。

图8为优化前后等熵效率随轴向距离的变化曲线， 从图中可以看出，原始型线的等熵效率在调节级的后面的比较低，在喷嘴处的等熵效率较大，与优化后的型线相比，等熵效率在喷嘴出的差别大不，说明在喷嘴处的蒸汽的实际做功能力要比后面的转导叶片大，而在叶栅处，优化后的等熵效率要比原始的型线大大改观，说明了在叶栅处蒸汽蒸汽的做功能力有了很大的提高，对整体分析可得其等熵效率大概提高了15.8%。

3 结论

通过对12 MW汽轮机调节级静、动叶型线的数值仿真，对其分析后得到如下结论：

(1)对汽轮机优化前后，轴功率提高了1.2kW。较原始叶型平均提高了11.6%。

(2)对比优化前后叶型的等熵效率可知，优化后的等熵效率较原始叶型提高了15.8%。

(3)分析优化前后的温度、压力曲线，可知优化后的温降要比原先增大了22℃，从而增大了进出口焓降，提高了整体的汽轮机效率。