某背压机组内外缸夹层结构设计与气动损失分析

张军辉 高骥 张苗 王晓斐 郭则传

摘 要：针对某工业背压式汽轮机小焓降、大流量的特点，为了优化布置，进一步提高气道性能，开发了一种内外缸夹层的回流结构。对该夹层模型进行了全尺度数值模拟，并给出了夹层气动损失的量化趋势，为机组设计者与结构优化设计提供了便利。

关键词：背压式汽轮机;汽缸夹层;气动损失;数值分析

中图分类号：TK262  文献标志码：A  文章编号：1671-0797（2022）13-0038-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.13.011

0    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[1]。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[2-4]。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。在小焓降、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[5]。

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180°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=667 mm，进口顶径为D02=847.8 mm，进口面积S0=π/4×（D012-D022）;1-1截面导叶进口底径为D11=670 mm，进口顶径为D12=815.4 mm。

2    气动模型与数值计算方法

本次研究采用ANSYS CFX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α0-0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Solidworks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1 625万;采用Turbogrid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420万，如图3所示。给定夹层进口面总压P0-0，tot、总焓H0-0，tot，给定流动方向α0-0，给定导叶出口面流量M2-2;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3 000 r/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IAPWS-97中的过热蒸汽物性，湍流模型选用k-epsilon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α0-0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。

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，tot×100%

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

（P0-0，sta-PN，sta）/P0-0，sta×100%

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0.7～0.8 kJ/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5%的计算偏差裕量×5%的形状偏差裕量）。图7给出了折算后的动叶出口动能（C0-02/2 000）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（C1-12/2 000）、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—1这段结构的损失增加较为明显，case5在0—1段结构的损失增加幅度较小，case6在0—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—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—4段结构的损失均为负值;所有工况在4—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—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。

[参考文献]

[1] 侯曼西.工业汽轮机[M].重庆：重庆大学出版社，1995.

[2] SCARLIN B.Advanced steam turbine technology for improved operating efficiency[J].ABB Review，1996（8）：15-24.

[3] 何阿平，彭泽瑛.上汽-西门子型百万千瓦超超临界汽輪机[J].热力透平，2006，35（1）：1-7.

[4] 蓝吉兵，丁旭东，孔建强，等.工业汽轮机高效压力级叶型优化与应用[J].热力透平，2018，47（4）：264-267.

[5] 黎旭.工业汽轮机进汽通道的气动性能改进研究[D].杭州：浙江大学，2020.

收稿日期：2022-04-11

作者简介：张军辉（1982—），男，浙江东阳人，硕士，高级工程师，长期从事透平机械技术研发工作。