汽 轮 机 技 术TURBINETECHNOLOGY
Vol.62No.1
Feb.2020
汽轮机中压某级静叶弯扭对气动性能影响初探
李兴华ꎬ刘云锋ꎬ刘长春
(哈尔滨汽轮机厂有限责任公司ꎬ哈尔滨150046)
摘要:针对汽轮机组中压缸典型级ꎬ采用弯曲、倾斜和反扭设计思想对静叶片进行三维设计ꎮ通过对不同方案的数值模拟ꎬ得出了效率、静叶和动叶漏汽量的变化ꎬ为汽轮机工程设计提供了有益的指导ꎮ文中选定典型级ꎬ在额定负荷和低负荷下ꎬ反扭叶片效率均高于其它方案ꎮ关键词:汽轮机ꎻ叶型设计ꎻ三维设计
分类号:TK263.3 文献标识码:A 文章编号:1001 ̄5884(2020)01 ̄0017 ̄02
APreliminaryStudyontheInfluenceofaCertainStaticBladeBendingandTorsion
ontheAerodynamicPerformanceofSteamTurbine
Abstract:Aimingatthetypicalstageofsteamturbineinintermediatepressurecylinderꎬthethree ̄dimensionaldesignofstatorbladeiscarriedoutbybendingꎬleanedandreverse-twistdesign.Throughnumericalsimulationofdifferentschemesꎬthechangeofsteamleakagerateofstaticbladeandmovingbladeandefficiencyisobtainedꎬwhichprovidesusefulguidanceforsteamturbineengineeringdesign.Forthetypicalstageselectedꎬtheefficiencyofreverse ̄twistbladeishigherthanotherschemesinratedloadandlowerload.Keywords:steamturbineꎻairfoildesignꎻ3Ddesign
(HarbinTurbineCompanyLimitedꎬHarbin150046ꎬChina)
LIXing ̄huaꎬLIUYun ̄fengꎬLIUChang ̄chun
0 前 言
究工作ꎮSiemens公司采用复合倾斜叶片[1](称作3DS叶片)控制低展弦比叶片的二次流损失ꎬ复合倾斜和扭叶片都是控制叶栅根顶的流动ꎬ降低二次流损失ꎮ大量的实验测量300MW机组低压末级静叶进行三维优化设计ꎬ性能进一步提升ꎮ冯国泰[3]等对三维弯扭掠设计的基本思想进行了阐述ꎬ同时结合一些应用实例ꎬ提出了叶片三维设计的一些基本思路ꎮ
本文针对汽轮机组中压典型级静叶开展了不同弯扭设计ꎬ采用三维CFD软件ꎬ考虑汽封漏汽ꎬ对不同三维设计的漏汽损失、单级效率进行了分析ꎬ为汽轮机工程设计提供了有益的参考ꎮ此外ꎬ考虑到目前机组调峰能力要求提高ꎬ也计算了低负荷时气动性能的差异ꎮ
表明ꎬ与传统叶片相比效率提高了2%ꎮ刘凤君[2]等对
图1 静叶4个方案对比
为提高机组的性能ꎬ国内外对叶型的研究进行了大量研
正弯曲ꎬ主要目的是将端部低能流体“吸入”叶展中部ꎬ从而降低横向二次流损失ꎬ同时还可以控制静叶出口汽流角ꎬ降低动叶扭曲程度ꎬ此外还可以提高根部反动度ꎮ
倾斜设计的思想主要是叶型积叠线向背弧倾斜ꎬ从而形成正倾斜ꎬ主要目的是提高根部反动度、降低顶部反动度ꎬ减少漏汽损失ꎮ叶型根部效果与正弯曲类似ꎬ顶部与反弯曲类似ꎮ
反扭设计的主要思想是控制静叶喉部尺寸沿叶高的变化ꎬ提高根部反动度、降低顶部反动度ꎬ在不增加叶片表面积的前提下实现弯叶片的效果ꎮ
1 典型级弯扭方案介绍
叶型三维设计思想主要有弯曲设计、反扭设计、倾斜等ꎮ本文针对典型级采用上述设计思想设计出3种方案ꎬ与原始方案进行对比ꎬ如图1所示ꎮ
弯曲设计的思想主要是叶片根顶截面向背弧偏移ꎬ形成
收稿日期:2019 ̄09 ̄27
作者简介:李兴华(1986-)ꎬ男ꎬ硕士ꎮ研究方向:汽轮机技术ꎮ
2 气动计算与分析
2.1 计算模型与边界条件
计算采用CFD软件NUMECAꎬ三级连算ꎬ选取中间级作
18汽 轮 机 技 术 第62卷
为分析对象ꎬ最大限度降低边界条件对计算结果的影响ꎮ进口给定总压和总焓ꎬ出口给定静压ꎮ同时考虑隔板汽封和动叶顶部汽封ꎬ分析不同方案漏汽量的变化ꎬ考核叶型效率的同时ꎬ考察漏汽损失ꎮ图2所示为典型级计算模型图ꎬ图3所示为典型级计算网格ꎮ
图2 典型级计算模型
2.2 计算结果分析
图3 典型级计算网格
各模型的参数计算结果见表1ꎮ从表1看出ꎬ各个方案
流量吻合很好ꎬ最大差别仅为0.33%ꎬ可以忽略ꎬ因此ꎬ流量对效率的影响不予考虑ꎮ从效率看ꎬ各个方案都比原型好ꎬ其中反扭方案最高ꎬ比原型高0.42%ꎮ从静叶隔板漏汽量看ꎬ3个方案漏汽量均比原型小ꎬ其中反扭方案最小ꎮ从动叶漏汽量看ꎬ倾斜叶片和反扭叶片漏汽量均比原型小ꎬ而弯曲方案与原型相当ꎬ其中倾斜方案叶片漏汽量最少ꎮ整体看ꎬ静叶漏汽量小于动叶漏汽量 表1
参数对比
ꎬ这与传统的经验的规律相同ꎮ方案级流量t/h静叶汽封漏汽
t/h
动叶汽封漏汽
t/h
级效率%原型183913.2618.3694.00倾斜184012.6717.7694.13弯曲184012.8518.3594.38反扭
1845
12.53
18.07
94.42
2.3 图流场细节分析
4所示为各个方案目标级反动度沿叶高变化曲线ꎮ
从图4中可以看出ꎬ倾斜、弯曲和反扭方案的反动度都比原设计均匀ꎮ整体看ꎬ顶部反动度与动叶漏汽量直接相关ꎬ反动越高ꎬ动叶漏汽量越大ꎮ弯曲方案顶部反动最高ꎬ因此ꎬ动叶漏汽量也大ꎻ而倾斜方案顶部反动最小ꎬ因此动叶漏汽量也较小ꎮ根部反动与静叶漏汽量直接相关ꎬ反动度越低ꎬ漏汽量越大ꎮ原型反动度最低ꎬ漏汽量最大ꎻ反扭方案反动度最高ꎬ漏汽量最小ꎮ此外ꎬ从各个方案看ꎬ弯曲方案在提高根部反动度同时ꎬ也会提高顶部反动度ꎻ而倾斜方案反动度最均匀ꎬ提高根部反动度的同时降低顶部反动度ꎮ结合前面分
图4 不同方案反动度对比
析ꎬ反扭与倾斜方案的反动变化类似ꎬ漏汽损失也相当ꎬ但是倾斜方案叶片表面积较大ꎬ因而ꎬ摩擦损失较大ꎬ所以效率比反扭方案略低ꎮ
从图5看ꎬ各个方案静叶出口二次流损失没有明显变化ꎬ原方案和倾斜方案顶部损失相对较大ꎬ而根部损失与漏汽直接相关ꎬ漏汽损失较大的ꎬ根部损失也比较大ꎮ这主要是由于静叶漏汽后ꎬ和主流掺混ꎬ造成损失增加ꎮ
2.4 低负荷气动性能分析图5 不同方案静叶出口效率分布
从表2可见ꎬ低负荷工况下仍然是反扭方案效率最高ꎬ
与前面设计工况的结论相同 表2
2个方案变工况效率对比
ꎮ
负荷方案
75%负荷
50%负荷
原型弯叶片反扭叶片
原型弯叶片反扭叶片三级效率ꎬ%94.6094.66
94.75
94.5494.60
94.67
3 小 结
通过对汽轮机组中压缸典型级静叶不同方案的性能以及漏汽量的计算和对比ꎬ反动度(1)ꎬ从而引起叶顶汽封漏汽量的增加正弯叶片在提高根部反动度的同时可以得出以下结论:
ꎬ造成动叶漏汽损ꎬ也会提高顶部失增大(2)ꎮ
漏汽量小静叶隔板汽封漏汽与根部反动度直接相关ꎮꎬ反动高ꎬ量大(3)ꎮ
动叶顶部漏汽量与反动度直接相关ꎬ(反动度高下转第42ꎬ漏汽
页)
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5 结 论
以燃烧室特征量和监测参数为基础ꎬ利用多元状态估计建立了燃烧室标准运行状态下的模型ꎬ接着定义了估计值和观测值的偏离度ꎬ利用滑动窗口法确定故障预警阈值ꎮ偏离度一旦超过预警阈值ꎬ就会发出故障预警信息ꎬ提醒运维人员检修ꎮ最后ꎬ将该方法运用到某燃机燃烧室上ꎬ通过仿真得到如下两个结论:
(1)MSET模型具有很高的精度ꎬ当燃烧室出现设备隐(2)偏离度的动态变化比残差更早地反映故障隐患ꎮ设
患还未发展为故障时ꎬ即使特征量的估计值偏离观测值ꎬ但是特征量的估计残差和相对残差较小ꎮ
图8 透平排气温度的估计结果和残差
出ꎬ偏离度动态变化曲线能更迅速ꎬ更早地体现故障隐患发展过程ꎬ有利于实现故障预警ꎮ
偏离度最大值为EN=0.2315ꎬk的取值为0.95ꎬ则故障预警阈值为:
偏离度一旦超过该预警阈值ꎬ立刻发出报警信息提醒运行人员处理ꎬ实现对燃烧室运行状态的实时监测ꎮ
EAN=kEN=0.2315×0.95=0.2199
选择滑动窗口的N为10ꎬ从图9可以看出ꎬ故障发生前
备的残差为零时ꎬ偏离度已经有大幅度增加的趋势ꎬ以此为依据进行故障预警ꎬ偏离度超过设定的预警阈值立即发出报警ꎮ
采用多元状态估计方法能提高燃烧室故障预警的快速性和准确性ꎬ可更好地实现燃烧室运维的安全性和经济性ꎮ
参考文献
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图9 滑动窗口法处理后的偏离度和预警阈值
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如图9所示ꎬ当燃烧室偏离度超过预警阈值时ꎬ在第114点(S=0.22)与第115点(S=0.2172)之间发出故障预警ꎬ可提前105s发出报警ꎬ提醒运行人员处理ꎬ为故障处理赢得宝贵时间ꎮ如果运行人员不及时处理ꎬ在第170点后偏离度下降ꎬ但在第200个数据点后偏离度又再次上升ꎬ然后燃烧室在220个数据点时发生熄火ꎮ因此ꎬ该方法能及时发现燃烧室运行时存在的故障并进行预警ꎮ(上接第18页)
(4)反扭叶片可以实现弯叶片和倾斜叶片的效果ꎬ即控制级反动度沿叶高的变化ꎬ同时又可以避免增加叶片表面的摩擦损失ꎬ级效率相对较高ꎮ片效率均较高ꎮ
(5)就本文选定的级ꎬ额定负荷和低负荷运行时ꎬ反扭叶
参考文献
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-JürgenEich.ANewGenerationofSteamTurbineBladingfor
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