1、22补汽流量和结构对机组影响的数值研究白昆仑平艳钟主海江生科陶志坚东方电气集团东方汽轮机有限公司，四川 德阳618000摘要：本文利用数值计算的方法，以某百万等级机组为研究对象，分析对比了 A、B 两种不同的补汽结构下，补汽流量大小对前后级性能和转子运行稳定性的影响。分析结果表明：随着补汽流量的增大，补汽前一级的效率变化不大，补汽后一级的效率明显下降，补汽对转子运行稳定性的影响也越来越大。从级效率和转子运行稳定性的角度来看，补汽结构 A 优于补汽结构 B。关键词：补汽流量；补汽结构；效率；数值计算中图分类号：TM621文献标志码：A文章编号：1001-9006（2022）04-0022-04N
2、umerical Investigation for Effect of Supplementary Steam Quantity andStructure on Steam TurbineBAI Kunlun,PING Yan,ZHONG Zhuhai,JIANG Shengke,TAO Zhijian(Dongfang Turbine Co.,Ltd.,618000,Deyang,Sichuan,China)Abstract:Based on a 1 000 MW steam turbine,the effect of supplementary steam quantity on sta
3、ge efficiency and rotoroperational stability is investigated by using numerical simulation.Two different kinds of supplementary steam structuresare compared.The results show that,with the increase of supplementary steam quantity,the upstream stage efficiencyalmost unchanged,while the downstream stag
4、e efficiency reduces significantly,the effect of supplementary steam on therotor operational stability becomes more serious.From the stage efficiency and rotor operational stability view，thestructure A is better than the structure B.Key words:supplementary steam quantity;supplementary steam structur
5、e;efficiency;numerical simulation1收稿日期：2021-09-03作者简介：白昆仑（1989），男，2014 年毕业于西安交通大学能源与动力工程学院动力工程专业，硕士，工程师。现在东方电气集团东方汽轮机有限公司产品研发中心工作，主要从事气动研发和气动试验工作。汽轮机作为现代化国家的重要动力设备，必须具备较高的经济性和一定的变工况运行能力。VWO工况为汽轮机调门全开工况，能够满足电网对电力需求突然增大的情况，具有一定的社会价值。汽轮机通常具有喷嘴调节和节流调节两种运行方式1。喷嘴调节灵活、方便，但对调节级强度要求很高。百万等级机组主汽参数高，调节级强度很难满足机组
6、安全运行要求，因此大多采用节流调节方式2。节流调节机组在运行时，主汽压力与进汽量近似成正比，仅 VWO 工况时，主汽压力才能达到额定值，THA 工况主汽压力一般为额定值的 88%95%2。主汽压力未达到额定值以及调节阀的节流效应均会造成额外的损失，影响 THA 工况的效率3。为了提高节流调节机组 THA 及以下工况的效率，引入补汽调节方式，利用补汽阀增加进汽量，满足超负荷运行（THA 以上工况）需求，保证机组在 THA 工况时，主汽压力达到额定值，且调节阀处于全开状态，从而减少节流损失。带补汽调节的机组，汽流经过主汽阀后分为主汽和补汽两路，主汽汽流经调节阀进入下游透平级，补汽汽流经补汽阀进入补
7、汽结构，最后与主汽汽流在补汽口后透平级内汇合4，如图 1 所示。补汽阀开启点为主汽压力达到额定值且调节阀全开时。DOI:10.13661/ki.issn1001-9006.2022.04.00223图 1 补汽调节机组示意图带补汽调节的机组，VWO 工况时，补汽阀会造成节流损失，补汽汽流会对前后级流场产生影响，所以效率较不带补汽调节的机组低。此外，补汽还会对主流产生干扰，甚至影响转子运行的稳定性5。因此，汽轮机设计时，必须统筹考虑各工况下机组的经济性和安全性，设计合理的补汽结构，同时控制补汽流量。本文利用数值计算的方法，以某百万等级机组为研究对象，分析对比了两种不同的补汽结构下，补汽流量大小对
8、前后级性能和转子运行稳定性的影响。1计算方法1.1 计算模型本次计算以某百万等级机组为研究对象，该机组补汽口位于高压第5级和第6级之间，补汽管道有两根，上下对称布置。图2为A、B两种补汽结构立体模型图，A结构中，补汽通道为整圈环形通道，B结构中，补汽通道为周向均布的20个通孔。（a）A 补汽结构(b)B 补汽结构图 2 补汽结构示意图图3为计算域示意图，包括补汽管道、补汽结构和前后透平级。为保证计算的准确性和方便性，计算域中，补汽结构上游包含一级静叶（S5）和一级动叶（R5），其中动叶（R5）带汽封结构，补汽结构下游包含一级静叶（S6）和一级动叶（R6），均带汽封结构。仅补汽结构、下游静叶（S
9、6）及其根部汽封为整圈，其余均为单通道。叶片相关参数见表1所示。图 3 计算域示意图表 1 叶片几何参数叶片S5R5S6R6支数58575857叶高（mm）96.9100.5102.8106.6根径（mm）9341.2 网格划分网格绘制时，将计算域分为补汽结构、叶片流道和汽封三部分。其中，补汽结构和汽封的网格绘制采用 ANSYS Workbench 中的 Mesh 模块，补汽结构网格数约 300 万，汽封网格数约 12 万。叶片流道网格绘制采用 NUMECA 中的 AutoGrid 模块，单个叶片网格数约20 万。整个计算域总网格数约1 450万，全部为非结构化网格，满足分析软件网格要求。1.
10、3 数值方法本次分析使用 ANSYS CFX18.0 进行定常计算，湍流模型为 SST 剪切输运模型，该模型考虑了湍流剪切应力，不会对涡流黏度造成过度预测，特别适用于高精度边界层的模拟6。离散格式为高精度格式，壁面为绝热无滑移光滑壁面。计算工质使用CFX 内嵌的高精度水蒸汽数据库IAPWS97。主流进口和补汽进口均给定流量和总温，出口给定平均静压。计算过程中，关注残差和流量的收敛曲线，并监控 M 面（补汽口正对转子面）在 X 向和 Y 向的受力波动情况。表 2 计算工况边界条件补汽占主流比例15%20%25%30%35%40%45%补汽进口流量（kg/s）110.3 147.0 183.8 2
11、20.5 257.3 294.0 330.8补汽进口温度（）572.6主流进口流量（kg/s）735.0主流进口总温（）548.3出口静压（MPa）15.47为分析补汽流量对机组性能的影响，本次计算24中，通过改变补汽流量占主流的比例，得到 7 个补汽工况。变工况计算时，主流进口和出口边界条件不变，见表 2 所示。2计算结果与分析2.1 效率分析图 4 为 A、B 两种补汽结构下，前后级效率随补汽流量占比的变化曲线。由于计算域中不包括补汽前一级静叶（S5）根部汽封，所以效率偏高。对于 A、B 两种补汽结构，补汽口前一级（第 5 级）的效率随补汽流量的变化很小，补汽口后一级（第6 级）的效率随补
12、汽流量的增大而降低，接近线性关系。对比 A、B 两种补汽结构，在所有计算工况下，补汽前一级的效率均非常接近，而补汽后一级的效率差异较大，A 结构中，补汽后一级的效率明显高于 B 结构中。可见，补汽主要影响补汽后一级的效率，从气动性能的角度来看，A 补汽结构较 B 补汽结构具有明显的优势。图 4 级效率随补汽流量的变化曲线2.2 流场分析图 5 为 15%、30%和 45%工况下，以顶部补汽管道入口为初始绘制的补汽流线图，其中内圈为转子面。由于转子旋转效应的影响，两种结构下，补汽流线均具有不对称性，尤其是在 B 结构中，补汽流线明显的偏向补汽管道的一侧。15%工况时，A、B 两种补汽结构中，补汽
13、汽流均未直接冲击到转子，但是 B 结构中，在补汽管道正下方，补汽流线非常接近转子。30%工况下，A 结构中，补汽汽流仍未冲击到转子，B 结构中，在补汽管道正下方，大量补汽汽流已经冲击到转子。45%工况下，A、B 两种结构中，均有部分补汽汽流冲击到转子，B结构中更为严重。此外，在相同工况下，A 结构中补汽汽流的最高速度均略低于 B 结构中。可见，从流场角度来看，B 结构中更容易出现补汽汽流直接冲击到转子的情况，对转子运行稳定性的影响更大。（a）A 补汽结构(b)B 补汽结构图 5 补汽流线图（出汽侧视图）2.3 压力场分析图 6 为 15%、30%和 45%工况下，M 面（补汽口正对转子面）上的
14、压力云图，可见 A、B 两种补汽结构中，M 面上的压力分布差异较大。A 结构中，在计算工况下，M 面压力分布总体比较均匀，两侧部分区域压力略高。而 B 结构中，M 面顶部和底部出现明显的局部高压区和低压区，随着补汽流量的增加，这一现象更加明显。为了进一步分析 M 面上压力分布情况，统计了两种结构中，各工况下 M 面压力最大值与最小值的差值，如图 7 所示。可见 A、B 两种结构中，M 面压力差值均随补汽流量的增大而增大，且 A 结构中M 面压力差值明显小于 B 结构中。尤其是在补汽流量占比大于 25%后，B 结构中 M 面压力差值急剧增大，而 A 结构中 M 面的压力差值缓慢增大，所以二者的差
15、异较大。可见，从压力场分布来看，B结构中 M 面压力分布比 A 结构中更不均匀，尤其是在补汽流量占比大于 25%后。25（a）A 补汽结构(b)B 补汽结构图 6 M 面压力云图图 7M 面压力差值随补汽流量的变化曲线2.4 受力波动分析为进一步分析补汽流量对转子运行稳定性的影响，在计算中，监控了 M 面（补汽口正对转子面）上 X 和 Y 两个方向的受力情况，并统计了流量和残差收敛后，M 面上受力波动峰、谷值，二者之差即为受力波动极值，如图 8 所示。A 结构中，M 面X向和Y向受力波动极值随补汽流量的增大而增大，接近线性关系，X向和Y向受力波动极值差异较小。B 结构中，M 面 X 向和 Y
16、向受力波动极值也随补汽流量的增大而增大，接近抛物线关系，X 向和 Y向受力波动极值差异也较小。对比 A、B 两种补汽结构，A 结构中，M 面 X 向和 Y 向的受力波动极值均小于 B 结构中，且随着补汽流量的增大，二者的差异有变大的趋势，尤其是在补汽流量占比大于30%后，B 结构中 M 面受力波动极值急剧增大，明显大于 A 结构中。可见，从 M 面受力波动情况来看，补汽结构 A 较补汽结构 B 对转子运行稳定性更友好，尤其是在补汽流量占比较大时。图 8 M 面受力波动极值随补汽流量的变化曲线3结语通过以上计算分析，可以得到以下结论：（1）随着补汽流量的增加，补汽前一级效率变化很小，补汽后一级效率明显下降。在计算工况下，A结构中补汽后一级效率均明显高于B结构中。（2）随着补汽流量的增加，A、B 两种结构中，均会出现补汽流线直接冲击到转子的情况，B 结构中更为严重，主要集中在补汽管道正下方区域；（3）随着补汽流量的增加，A、B 两种结构中，M 面的压力差值均逐渐增大，A 结构中 M 面压力差值明显小于 B 结构中，尤其是在补汽流量占比大于 25%后。（4）随着补汽流量的增加，A、B 两种结