某背壓機(jī)組內(nèi)外缸夾層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與氣動(dòng)損失分析

引言

工業(yè)汽輪機(jī)除應(yīng)用于電站、船舶以外,還可驅(qū)動(dòng)各類(lèi)泵、鼓風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)等,廣泛應(yīng)用于石化煉油、化工、冶金、制糖、建材等國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域。提高工業(yè)汽輪機(jī)效率的途徑包括通流部分的提效和氣流通道的優(yōu)化。近些年來(lái),許多工程師及科研工作者在提高通流部分的效率上做了很多工作。相比于通流部分的提效,氣流通道部分的研究和改進(jìn)不是很多,而工業(yè)汽輪機(jī)的進(jìn)氣通道相比電站汽輪機(jī)在結(jié)構(gòu)上更緊湊,氣流更紊亂,流動(dòng)損失更大,可改進(jìn)空間更大。通過(guò)對(duì)其復(fù)雜流場(chǎng)的分析進(jìn)而指導(dǎo)氣流通道結(jié)構(gòu)的改進(jìn),可以減小氣流通道的壓損和入口氣流的不均勻度,從而提高整機(jī)的效率。在小恰降、大流量的背壓式汽輪機(jī)中,氣流通道改進(jìn)的收效將更加顯著。

1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析模型

圖1為本次所設(shè)計(jì)的夾層氣動(dòng)結(jié)構(gòu)半剖面圖。圖2為夾層氣動(dòng)模型邊界條件示意圖,其中,0-0截面是夾層進(jìn)口,即內(nèi)缸持環(huán)出口,它與回流前動(dòng)葉出口相接:1-1截面是夾層出口,即導(dǎo)葉進(jìn)口邊界,后面跟著一級(jí)導(dǎo)葉,該面為夾層模型與葉片模型的交界面:2-2截面是導(dǎo)葉出口邊界,也是計(jì)算出口邊界。沿著流向,蒸汽方向經(jīng)歷了180o的變化,依次經(jīng)過(guò)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截面的夾層進(jìn)口底徑為D01=667mm,進(jìn)口頂徑為D02=847.8mm,進(jìn)口面積s0=m/4×(D012-D022):1-1截面導(dǎo)葉進(jìn)口底徑為D11=670mm,進(jìn)口頂徑為D12=815.4mm。

2氣動(dòng)模型與數(shù)值計(jì)算方法

本次研究采用ANSYSCFx對(duì)"夾層＋導(dǎo)葉"氣動(dòng)模型進(jìn)行三維分析,共計(jì)算了6個(gè)工況,如表1所示,表中絕對(duì)氣流角a0-0為動(dòng)葉出口絕對(duì)速度C0-0與其圓周速度U的夾角。

首先采用So1idworks對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行幾何清理,再采用meshing對(duì)夾層模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,該部分網(wǎng)格為四面體網(wǎng)格,設(shè)置合適的第一層網(wǎng)格厚度,總網(wǎng)格數(shù)為1662萬(wàn):采用5Truogrid對(duì)導(dǎo)葉模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,該部分網(wǎng)格為六面體網(wǎng)格,并設(shè)置合適的第一層網(wǎng)格厚度,導(dǎo)葉共68只,其總網(wǎng)格數(shù)約為460萬(wàn),如圖3所示。給定夾層進(jìn)口面總壓P0-0,tot、總恰H0-0,tot,給定流動(dòng)方向a0-0,給定導(dǎo)葉出口面流量M6-6:根據(jù)右手準(zhǔn)則,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向?yàn)橛倚?給定動(dòng)葉出口底徑壁面旋轉(zhuǎn)速度3000r/min,并設(shè)置一定的出口延長(zhǎng)段,除在夾層出口與導(dǎo)葉進(jìn)口處建立交界面外,其余面設(shè)置為絕熱無(wú)滑移壁面。整個(gè)氣動(dòng)模型的示意圖如圖4所示。計(jì)算工質(zhì)選用1APws-97中的過(guò)熱蒸汽物性,湍流模型選用k-epsi1on雙方程模型。這里需要注意的是,夾層進(jìn)口并非是動(dòng)葉出口,而是內(nèi)缸出口,為了能與熱力分析程序計(jì)算的動(dòng)葉出口速度做比較,在動(dòng)葉出口絕對(duì)氣流角a0-0不變的假設(shè)下,需要就s0與動(dòng)葉出口環(huán)形面積進(jìn)行一定的折算。

圖3整圈導(dǎo)葉網(wǎng)格模型

3結(jié)果對(duì)比

在分析中需要用到以下公式:

總壓損失=(P0-0,tot-P1-1,tot)/P0-0,totx100%

靜壓損失=(P0-0,sta-P1-1,sta)/P0-0,sta×100%或

(P0-0,sta-PN,sta)/P0-0,sta×100%

圖4整體氣動(dòng)模型示意圖

其中,下標(biāo)tot代表總壓,sta代表靜壓,N代表不同截面位置。

圖5為夾層進(jìn)口動(dòng)能與總壓壓損之間的關(guān)系,隨著流量的減小,根據(jù)速度三角形關(guān)系,夾層進(jìn)口的絕對(duì)速度在周向上的分量cU方向從與圓周速度U相反慢慢變成同向,進(jìn)口動(dòng)能在0.7~0.8kJ/kg附近出現(xiàn)拐點(diǎn),總壓損失呈現(xiàn)出減小趨勢(shì)。圖6為導(dǎo)葉進(jìn)口動(dòng)能與總壓壓損之間的關(guān)系,隨著流量的增大,總壓損失單調(diào)遞增。

為保證工程設(shè)計(jì)的可靠性,在數(shù)值計(jì)算靜壓壓損的基礎(chǔ)上,給定1.1倍的設(shè)計(jì)裕量(等于2%的計(jì)算偏差裕量×2%的形狀偏差裕量)。圖7給出了折算后的動(dòng)葉出口動(dòng)能(c0-06/6000)與實(shí)際靜壓壓損之間的關(guān)系,圖8給出了動(dòng)葉出口流量系數(shù)(c0-0Z/Urms,c0-0Z為0-0截面軸向速度,Urms為動(dòng)葉出口中徑處圓周速度)與導(dǎo)葉進(jìn)口動(dòng)能(c1-16/6000)、實(shí)際靜壓壓損之間的關(guān)系,隨著流量的增大,動(dòng)葉流量系數(shù)遞增,夾層結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的靜壓損失以及導(dǎo)葉的進(jìn)口動(dòng)能同樣線(xiàn)性增加。

圖9為不同工況下不同截面N處的實(shí)際靜壓損失變化,其中0截面與0-0位置一致,6截面與1-1截面位置一致。從圖中可以看出,case1~case4這四個(gè)工況在0一1這段結(jié)構(gòu)的損失增加較為明顯,case5在0一1段結(jié)構(gòu)的損失增加幅度較小,case6在0一1段結(jié)構(gòu)的損失值是負(fù)值,說(shuō)明這部分產(chǎn)生了靜壓恢復(fù)效果:所有工況在1一4段結(jié)構(gòu)的損失變化均較為平緩,呈現(xiàn)出先減小后增大的規(guī)律,其中case6在1一4段結(jié)構(gòu)的損失均為負(fù)值:所有工況在4一6段的損失增加均非常明顯,且流量越大,增加幅度越大,這也充分說(shuō)明了4一6段結(jié)構(gòu)的優(yōu)化空間較大,是減小損失、提高能效應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注的部分。

4結(jié)語(yǔ)

本文給出了一種背壓式汽輪機(jī)內(nèi)外缸夾層結(jié)構(gòu),并對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了宏觀(guān)的氣動(dòng)損失分析。分析結(jié)果表明,夾層結(jié)構(gòu)的損失與導(dǎo)葉進(jìn)口動(dòng)能、動(dòng)葉出口動(dòng)能存在一定的關(guān)系,其靜壓損失在進(jìn)口段與出口段的分布較為集中。本次分析為機(jī)組設(shè)計(jì)者進(jìn)行參數(shù)選取提供了依據(jù),也為工程設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化帶來(lái)了便利。