禹志根，陳金銓，袁 浩，藍(lán)吉兵，隋永楓,

(1.杭州汽輪機(jī)股份有限公司工業(yè)透平研究院，杭州 310022; 2.杭州汽輪動(dòng)力集團(tuán)有限公司，杭州 310022)

工業(yè)汽輪機(jī)[1]需適應(yīng)不同的負(fù)荷，而噴嘴配汽方式由于其變工況經(jīng)濟(jì)性高，常用于工業(yè)汽輪機(jī)的設(shè)計(jì)中。汽輪機(jī)機(jī)組的調(diào)節(jié)級(jí)常采用沖動(dòng)式設(shè)計(jì)，以防止噴嘴調(diào)節(jié)時(shí)因部分進(jìn)汽而產(chǎn)生較大的漏汽損失，而且可增加調(diào)節(jié)級(jí)焓降。調(diào)節(jié)級(jí)至壓力級(jí)之間存在過渡腔室，將高徑向位置的調(diào)節(jié)級(jí)出口氣流導(dǎo)流至低徑向位置的壓力級(jí)入口。另外，過渡腔室還起到摻混調(diào)節(jié)級(jí)出口氣體的作用，使壓力級(jí)入口流場(chǎng)分布更加均勻。調(diào)節(jié)級(jí)、過渡腔室和壓力級(jí)第1級(jí)間上下游流動(dòng)相互影響，流場(chǎng)復(fù)雜，三維流動(dòng)特征明顯，流動(dòng)損失大，加之變工況時(shí)噴嘴組開啟數(shù)量變化會(huì)導(dǎo)致部分進(jìn)汽度變化，這些都加大了區(qū)段內(nèi)流動(dòng)情況分析的難度。

屈煥成等[2]對(duì)帶進(jìn)汽腔室的汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級(jí)進(jìn)行全周三維數(shù)值分析，并提出結(jié)構(gòu)修改方案以提高調(diào)節(jié)級(jí)效率。謝金偉等[3]對(duì)汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥-調(diào)節(jié)級(jí)段的三維流動(dòng)與壓力損失進(jìn)行了分析，認(rèn)為調(diào)節(jié)級(jí)內(nèi)流動(dòng)表現(xiàn)有明顯的非軸對(duì)稱性，在調(diào)節(jié)閥關(guān)閉狀態(tài)下，下游噴嘴葉柵會(huì)對(duì)經(jīng)過的動(dòng)葉中的高壓流體產(chǎn)生抽吸作用，引起該區(qū)域壓力損失。趙洪羽等[4]對(duì)調(diào)節(jié)級(jí)后過渡腔室的流動(dòng)情況進(jìn)行了計(jì)算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，CFD)數(shù)值研究，分析了兩種不同設(shè)計(jì)的過渡腔室內(nèi)的流動(dòng)分布。李勇等[5]對(duì)汽輪機(jī)通用特性曲線的計(jì)算方法進(jìn)行了研究，提出了改進(jìn)的迭代算法，并進(jìn)行了實(shí)例分析。Denton[6]研究了機(jī)組運(yùn)行方式與部分進(jìn)汽汽輪機(jī)級(jí)損失的關(guān)系。文獻(xiàn)[7-8]對(duì)部分進(jìn)汽調(diào)節(jié)級(jí)的三維流動(dòng)特性和受力進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，結(jié)果顯示部分進(jìn)汽對(duì)機(jī)組的運(yùn)行安全也會(huì)產(chǎn)生影響。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)調(diào)節(jié)級(jí)氣動(dòng)性能及其前后流域流場(chǎng)特性分析做了大量研究工作，但是基于調(diào)節(jié)級(jí)、過渡腔室和壓力級(jí)流域的綜合分析依然缺乏，存在詳細(xì)研究的必要。

本文以某工業(yè)汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級(jí)、過渡腔室和壓力級(jí)第1級(jí)為研究對(duì)象，建立了該區(qū)段全周三維模型，應(yīng)用ANSYS-CFX數(shù)值計(jì)算軟件在4閥點(diǎn)、3閥點(diǎn)和2閥點(diǎn)工況下對(duì)區(qū)段內(nèi)三維流動(dòng)和壓力損失情況進(jìn)行了分析，旨在詳細(xì)分析該區(qū)段流場(chǎng)分布和氣動(dòng)性能損失情況，為后續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

1 數(shù)值模擬

主汽閥處流出的高壓高溫蒸汽經(jīng)4個(gè)調(diào)節(jié)閥分配后流至調(diào)節(jié)級(jí)。調(diào)節(jié)級(jí)靜葉柵包含相應(yīng)4組噴嘴組，周向均勻分布于上半缸，各噴嘴組占據(jù)相同長(zhǎng)度弧段，配合調(diào)節(jié)閥的開閉，對(duì)機(jī)組運(yùn)行工況進(jìn)行控制。高溫高壓蒸汽在調(diào)節(jié)級(jí)做功后進(jìn)入過渡腔室，經(jīng)導(dǎo)流、摻混后再進(jìn)入壓力級(jí)。圖1是某工業(yè)汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級(jí)-過渡腔室-壓力級(jí)第1級(jí)區(qū)段的三維模型示意圖。在調(diào)節(jié)級(jí)噴嘴組入口設(shè)置數(shù)值計(jì)算入口，如圖1所示。當(dāng)相應(yīng)閥點(diǎn)工況噴嘴組入口對(duì)應(yīng)上游調(diào)節(jié)閥全開時(shí)，就設(shè)置邊界為入口邊界，并給定相應(yīng)蒸汽參數(shù)，否則設(shè)置邊界為絕熱壁面邊界。

圖1 模型示意圖

由于從調(diào)節(jié)級(jí)經(jīng)過過渡腔室至壓力級(jí)第1級(jí)出口的幾何拓?fù)涫謴?fù)雜，因此根據(jù)不同區(qū)域特點(diǎn)分塊，相應(yīng)選擇四面體和六面體的網(wǎng)格劃分方法。調(diào)節(jié)級(jí)和壓力級(jí)第1級(jí)采用Turbo-Grid軟件進(jìn)行六面體網(wǎng)格劃分；過渡腔室具有阻流板和其余復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)，采用四面體網(wǎng)格劃分。最終劃分的三維CFD模型的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)總數(shù)為1 636萬(wàn)。圖2為模型整體、調(diào)節(jié)級(jí)葉柵及壓力級(jí)葉柵網(wǎng)格示意圖。

(a) 整體網(wǎng)格 (b) 調(diào)節(jié)級(jí)葉柵

(c) 壓力級(jí)葉柵

圖2 網(wǎng)格示意圖

選擇4閥點(diǎn)、3閥點(diǎn)、2閥點(diǎn)3個(gè)典型工況進(jìn)行數(shù)值分析。采用時(shí)均化N-S方程進(jìn)行三維CFD計(jì)算。由于計(jì)算域流場(chǎng)分布復(fù)雜，需要對(duì)分離流動(dòng)有更準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)，因此湍流模型選擇SST模型。差分格式采用二階迎風(fēng)格式。在動(dòng)靜交界面處選擇凍結(jié)轉(zhuǎn)子模型進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。調(diào)節(jié)級(jí)入口給定總溫、總壓，壓力級(jí)出口根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況給定靜壓。忽略換熱影響，壁面設(shè)置為絕熱無(wú)滑移邊界。當(dāng)三個(gè)方向的動(dòng)量方程殘差低于10-5，且出入口質(zhì)量流量偏差低于0.1%時(shí)，判定計(jì)算收斂。計(jì)算工況和模型幾何參數(shù)及說明分別如表1和表2所示。

表1 計(jì)算工況表

表2 調(diào)節(jié)級(jí)主要幾何參數(shù)及說明

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 過渡腔室流動(dòng)分析

4、3、2閥點(diǎn)工況下三維流動(dòng)流線圖對(duì)比如圖3所示，從中可以看到過渡腔室的整體流動(dòng)情況。調(diào)節(jié)級(jí)出口氣流流至過渡腔室內(nèi)，變?yōu)閺?fù)雜有旋流動(dòng)。從三維流線的均勻程度和速度分布變化可以看到，從4閥點(diǎn)到2閥點(diǎn)工況的變化過程中過渡腔室內(nèi)流動(dòng)效率不斷惡化。4閥點(diǎn)工況流動(dòng)組織情況較好，進(jìn)汽弧段高速流體在調(diào)節(jié)級(jí)中做功后流至調(diào)節(jié)級(jí)出口，周向位置無(wú)明顯偏轉(zhuǎn)。過渡腔室內(nèi)流體的切向速度比3閥點(diǎn)和2閥點(diǎn)工況小。主流和調(diào)節(jié)級(jí)非進(jìn)汽弧段后擋流板的交匯處有小股由動(dòng)葉鼓風(fēng)形成的高壓射流進(jìn)入過渡腔室外側(cè)空腔內(nèi)，驅(qū)動(dòng)腔內(nèi)低能流體形成兩股環(huán)繞外側(cè)環(huán)腔的相向旋流，最終在0點(diǎn)方向匯聚后向下返回主流。3閥點(diǎn)工況下過渡腔室內(nèi)整體流動(dòng)比4閥點(diǎn)工況時(shí)更混亂，腔室內(nèi)流體速度更快，圍繞周向旋轉(zhuǎn)的特征更顯著。2閥點(diǎn)工況下，腔室內(nèi)流體切向速度達(dá)到最大值。切向速度大會(huì)使流動(dòng)距離快速增加，引起摩擦損失增加。

(a) 4閥點(diǎn)側(cè)視 (b) 4閥點(diǎn)正視

(c) 3閥點(diǎn)側(cè)視 (d) 3閥點(diǎn)正視

(e) 2閥點(diǎn)側(cè)視 (f) 2閥點(diǎn)正視

圖3 4、3、2閥點(diǎn)工況下三維流動(dòng)流線圖對(duì)比

另外，在3閥點(diǎn)和2閥點(diǎn)工況下，調(diào)節(jié)級(jí)噴嘴的非進(jìn)汽段會(huì)抽吸相鄰噴嘴和下游動(dòng)葉高壓流體，在內(nèi)部形成復(fù)雜無(wú)序的三維流動(dòng)，使損失增大，同時(shí)對(duì)下游的動(dòng)葉流道形成干擾。

為更好地觀察周向不同特征位置的流體流動(dòng)組織情況，給出水平中分面和垂直中分面的子午面流線圖。水平中分面流線圖的視圖上方對(duì)應(yīng)逆來流方向看去視圖位置的9點(diǎn)鐘處。從3閥點(diǎn)工況的子午面流線圖可以看出，在部分進(jìn)汽的影響下，周向流動(dòng)不對(duì)稱性明顯，又由于腔室內(nèi)軸向距離短，過渡圓角小，過渡腔室上游排出的高速流體對(duì)過渡腔室側(cè)壁有直接、猛烈的沖擊，因此導(dǎo)流過程生硬。2閥點(diǎn)和3閥點(diǎn)工況下，過渡腔室出口流入壓力級(jí)的部分區(qū)域甚至出現(xiàn)回流。4閥點(diǎn)工況下，過渡腔室外側(cè)端壁拐角處出現(xiàn)最大速度。隨閥點(diǎn)減少，過渡腔室內(nèi)最大局部速度分布區(qū)域逐漸向內(nèi)端壁拐角側(cè)偏移。

圖4給出過渡腔室子午面流線圖。拉長(zhǎng)過渡段軸向距離可能會(huì)減少流體直接撞擊壁面產(chǎn)生的損失，但受整機(jī)布局限制，調(diào)整幅度有限。水平中分面上的流動(dòng)組織比垂直中分面更混亂，這是因?yàn)橹蟹置媛菟ńY(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要空間，減少了該處的有效通流面積，流體在此處產(chǎn)生大量分離和漩渦。尤其在各工況下，過渡腔室水平子午面圖的9點(diǎn)位置處，有極大的流動(dòng)損失。該處位于高流速的主流區(qū)域，高速流體在切向和軸向兩個(gè)方向上均遇到阻擋，流道縮放變化劇烈，這使附近區(qū)域流動(dòng)異常混亂，最終形成圖中的流線分布結(jié)果。

(a)4閥點(diǎn)垂直中分面 (b)4閥點(diǎn)水平中分面

(c)3閥點(diǎn)垂直中分面 (d)3閥點(diǎn)水平中分面

(e)2閥點(diǎn)垂直中分面 (f)2閥點(diǎn)水平中分面

不同工況調(diào)節(jié)級(jí)入口至各截面效率如圖5所示，不同工況各流域效率變化如圖6所示。從圖5、圖6可以看出，隨閥點(diǎn)減少，過渡腔室損失劇烈增加，使區(qū)段總效率快速降低。過渡腔室的損失占總區(qū)段損失比例增加。隨著部分進(jìn)汽度的降低，調(diào)節(jié)級(jí)、過渡腔室、壓力級(jí)首級(jí)的流動(dòng)效率均不斷降低。其中調(diào)節(jié)級(jí)、過渡腔室流動(dòng)效率惡化的幅度隨閥點(diǎn)減少而增大，壓力級(jí)首級(jí)則相反。過渡腔室一方面承擔(dān)導(dǎo)流作用，將高根徑的調(diào)節(jié)級(jí)出口氣流導(dǎo)流至壓力級(jí)入口；另一方面促進(jìn)流動(dòng)在腔室內(nèi)摻混，使壓力級(jí)入口氣流比調(diào)節(jié)級(jí)出口更均勻，但摻混時(shí)會(huì)伴隨可觀的總壓損失。

圖5 不同工況調(diào)節(jié)級(jí)入口至各截面效率

圖6 不同工況各流域效率變化

2.2 壓力級(jí)第1級(jí)靜葉流動(dòng)分析

隨著閥點(diǎn)數(shù)量降低，過渡腔室中流體切向速度增加，對(duì)壓力級(jí)第1級(jí)靜葉入口流場(chǎng)分布產(chǎn)生顯著影響。從圖7壓力級(jí)第1級(jí)靜葉前的氣流角度全周分布圖中可看到不同工況下氣流方向的變化。

圖7 壓力級(jí)入口氣流角度全周分布圖

3個(gè)工況中，4閥點(diǎn)工況下氣流方向與切向夾角幅值變動(dòng)最大，分布在0°～140°范圍，該夾角每隔90°，波形分布呈現(xiàn)一定的相似性。3閥點(diǎn)時(shí)角度變化幅值較4閥點(diǎn)工況明顯減小，分布在0°～60°范圍內(nèi)，氣流與切向的夾角比4閥點(diǎn)工況更小。壓力級(jí)靜葉入口正攻角變大，攻角損失增大。在周向180°處，即垂直中分面下端，存在局部回流。2閥點(diǎn)時(shí)，切向氣流角分布情況與3閥點(diǎn)時(shí)基本相同，靜葉入口正攻角較3閥點(diǎn)有略微增加。盡管2閥點(diǎn)時(shí)過渡腔室內(nèi)主流切向速度更大，但因?yàn)?閥點(diǎn)下氣流角度已非常接近切向，所以3閥點(diǎn)和2閥點(diǎn)工況的切向氣流角度基本相同。

從逆來流方向向上游看，調(diào)節(jié)級(jí)出口和壓力級(jí)入口環(huán)形截面的總壓分布如圖8所示，可以看到壓力級(jí)入口主流的周向分布情況。隨閥點(diǎn)數(shù)量降低，壓力級(jí)入口主流的周向位置不斷沿逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。在壓力級(jí)入口處，2閥點(diǎn)和3閥點(diǎn)工況總壓分布均勻程度較4閥點(diǎn)有明顯降低。

(a) 4閥點(diǎn)

(b) 3閥點(diǎn)

(c) 2閥點(diǎn)

對(duì)壓力級(jí)靜葉內(nèi)的流動(dòng)情況進(jìn)行分析，受篇幅所限，本文只呈現(xiàn)具有代表性的中間葉高截面的二維流線圖，如圖9至圖11所示。4閥點(diǎn)工況流道全周范圍內(nèi)無(wú)明顯分離。3閥點(diǎn)工況下，入口不均勻?qū)е律嫌握{(diào)節(jié)級(jí)鼓風(fēng)區(qū)對(duì)應(yīng)下游區(qū)域的靜葉處氣流堵塞嚴(yán)重，部分主流區(qū)域靜葉吸力面前緣出現(xiàn)馬赫數(shù)1.5以上的局部加速。2閥點(diǎn)工況下，進(jìn)汽不均勻度繼續(xù)增加，鼓風(fēng)區(qū)對(duì)應(yīng)的下游流動(dòng)狀況繼續(xù)惡化，吸力面流動(dòng)分離幾乎堵塞靜葉柵通道的2/3。但3閥點(diǎn)工況正攻角無(wú)明顯增加，所以由3閥點(diǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)?閥點(diǎn)工況，壓力級(jí)的效率降低幅度比4閥點(diǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)?閥點(diǎn)時(shí)小。

圖9 4閥點(diǎn)壓力級(jí)靜葉內(nèi)流場(chǎng)

(a) 對(duì)應(yīng)上游鼓風(fēng)區(qū)弧段

(b) 主流弧段

(a) 對(duì)應(yīng)上游鼓風(fēng)區(qū)弧段

(b)主流弧段

3 結(jié) 論

本文采用三維定常數(shù)值模擬的方法，對(duì)某工業(yè)汽輪機(jī)3種變工況運(yùn)行條件下的調(diào)節(jié)級(jí)至壓力級(jí)第1級(jí)整體區(qū)段流場(chǎng)分布與壓力損失特性進(jìn)行了分析，得到如下結(jié)論：

1)隨閥點(diǎn)減少，過渡腔室中壓力損失逐漸成為影響調(diào)節(jié)級(jí)至壓力級(jí)第1級(jí)區(qū)段效率的最重要因素。從4閥點(diǎn)工況至2閥點(diǎn)，通流效率從86.1%降低至54.2%，過渡腔室內(nèi)總壓損失從2.2%增至45.8%。

2)過渡腔室內(nèi)流場(chǎng)分布復(fù)雜，三維流動(dòng)特征明顯。隨閥點(diǎn)減少，氣流切向速度不斷增加，導(dǎo)致流動(dòng)距離和摩擦損失增加。并且在水平中分面處，由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需提供螺栓安裝空間，流道局部收縮劇烈，造成極大的壓力損失。

3)壓力級(jí)靜葉入口攻角在4閥點(diǎn)至3閥點(diǎn)工況時(shí)有顯著增加，而在3閥點(diǎn)至2閥點(diǎn)時(shí)幾乎不變。隨閥點(diǎn)減少，壓力級(jí)入口氣流分布不均勻度增加，調(diào)節(jié)級(jí)鼓風(fēng)弧段對(duì)應(yīng)的下游流道內(nèi)流動(dòng)不斷惡化。過渡腔室內(nèi)流動(dòng)對(duì)壓力級(jí)第1級(jí)工作狀況影響顯著。