汽轮机调节级气动性能分析和结构优化设计

刘钰林

摘 要：喷嘴配气调节级具有大焓降和低反动度的设计特点，因而被广泛应用于大功率冲动式汽轮机高压缸中。本篇文章首先介绍了大功率汽轮机喷嘴配汽调节级气动性能的目前发展情况，以及气流激振方面的研究进展。其次，文章分析并研究了1000MW和300MW汽轮机，并且在研究300MW汽轮机时，基于反流初始设计喷嘴配汽调节级气动性能分析，提出了顺流结构的优化方案。并且，在反流初始设计方案中喷嘴配汽调节级气动性能和顺流优化方案中喷嘴配汽调节级气动性能两者之间，通过分析比较在设计工况和变工况下的气动性能，得出了顺流结构优化方案设计简单、应用型强的优势。文章的最后，对大功率汽轮机喷嘴配汽调节级气动性能和气流激振的发展前景进行了详细的描述。

关键词：汽轮机；喷嘴配汽调节级；气动性能；优化设计

在经济飞速发展的现代社会，大功率冲动式汽轮机的优化研究受到全国各地的青睐。大功率汽轮机的高压进汽结构以及低压排汽结构的气动性能优化能明显提高机组的气动效率，经济上可观，操作上可行；但于高压进汽结构而言，它的运行方式和结构会造成进汽和流动具有非对称性和非周期性特点的结果，降低了高压进汽的运行效率；因此，如何改进高压进汽结构，才能使得机组的运行更简单更高效，就依赖于对高压进汽结构三维流场特性的精确掌握和合理运用。

喷嘴配汽是指汽机通过改变调节汽门的开度和开启数目来改变进汽量的方式，汽轮机喷嘴配汽调节级一般具有4个或6个调节阀，每个调剂阀控制一组喷嘴组进汽，喷嘴配汽在部分负荷时，汽机通过改变调节汽门的开度和阀的开启数目来改变进汽量的方式，而此时，只有未全开的调节汽门中蒸汽节流较大，而其余全开汽门中的蒸汽节流已减小到最低，所以定压运行时的喷嘴配汽与节流配汽相比，节流损失较少，效率较高，但负荷变动调节级汽室温度变化大，热应力热变形大，负荷适应性差。汽门中蒸汽节流较大，而其余全开汽门中的蒸汽节流已减小到最低，故定压运行时的喷嘴配汽与节流配汽相比，节流损失较少，效率较高，但负荷变动调节级汽室温度变化大，热应力热变形大，负荷适应性差。

大功率汽轮机喷嘴配汽调节级机组一般情况下具有3种运行方式：顺序阀定压运行，单阀节流运行，滑压运行。不同的运行方式在不同的工况下具有各自的优势：顺序阀是指各个调节汽门逐次开启。在机组启动时，通常采用单阀，其优势在于可以使喷嘴组全周进汽，有利于机组金属部件均匀加热，减少因受热不均匀导致机组的损坏；机组并网后，采用顺序阀，可以让多个调节汽门中只有一个阀门处于节流状态，有利于减小节流损失，提高机组的热效率。而滑压运行方式中，调节阀的开度保持不变，通过改变锅炉主蒸汽的压力进而调节机组负荷，机组可以在阀门开启数量不同的情况下进行滑压，但是有一定安全性的限制。典型滑压运行模式为4阀，3阀和2阀。

（一）汽轮机喷嘴配汽调节级的目前情况

早期的汽轮机级数少，也没有调节级的概念。从最早的反动式汽轮机到单级冲动式汽轮机，再到多级反动式汽轮机，在当时的功率和效率上都是领先地位的存在。发展到现在，大多数汽轮机都有调节进汽方式以达到调节负荷状况使机组运行既符合经济性又能提高效率的调节级存在，但少数节流配汽的汽轮机除外（带基本符合）。随着时代的发展，生产力发展的需求和国家节能环保系列政策的不断提出，汽轮机技术水平的不断攀升，人们对汽轮机各参数的要求在提高，喷嘴配汽调节级的优化方案也不断被提出，高参数、大容量、高效率、高经济逐渐成为汽轮机优化的主流方向。

对于喷嘴配汽调节的机组而言，调节级叶片的优化设计极大影响了汽轮机参数和容量的“升级”，比如说：当单流调节级提供不了机组功率等级增大所需求的条件时，双流调节级就产生了。虽然双流调节级流动问题明显要比单流调节级复杂，但却降低了单溜调节级大功率的结构设计风险。双流调节级各方面性能都有提高，非周期性明显，非均匀性增强，流动呈现极强的三维特性；但由于流动问题复杂，双流调节级效率低下。对于超超临界1000MW汽轮机来说，效率的高低极大程度上影响了它的经济性。

对喷嘴配汽调节级运行方式对机组经济性影响上来分析，有学者在600MW汽轮机顺序阀的开启方式上做了研究，在调节级热力计算和有限元强度校核的基础上启用对角方式开启顺序阀的方法，并对重叠度进行优化，此种改进极大提高了机组的运行效率，同时也保证了机组的经济性，其表现在于，机组的上下缸温，轴振等各项指标状况良好。经过汽轮机研究工作者们的不谢努力，综合进汽压损和调节级内效率以及考虑机组运行效率和经济效益等因素，总结出调节级总效率的排序方式为：4阀，3阀，2阀滑压，顺序阀和单阀。

（二）喷嘴配汽调节级气动性能的优化设计

本节在研究1000MW汽轮机时，将采用CFX软件进行数值分析，此软件采用FVM求解三维粘性可压缩非定常雷诺时均方程组，为了计算结果的精确性，微分方程的离散选取高精度二阶格式。由于动静界面参数的不均匀，动静叶之间采用了冻结转子法，解决了计算机组参数时常规分析方法造成的参混损失以及气动参数的不准确性。在这个研究中，既要考虑选取方法的可实用性，还要结合机组本身会出现的如双流、单流调节级，调节阀开启个数等情况造成的影响。

研究300MW汽轮机喷嘴配汽调节级时，本节采用全三维数值方法开展优化设计工作，主要目的在于降低制造成本，提高机组在设计工况和變工况情况下的气动性能；分析比较前文提及的反流设计结构和顺流优化设计结构的高压进汽喷嘴配汽调节级的气动性能，辅以数据验证。在反流汽轮机喷嘴配汽调节级的计算区域三维结构中，含126只静叶，102只动叶，6个阀门腔室以及套筒结构，阀门腔室和套筒计算区域采用非结构化网格，叶栅组则采用结构化网格，反流结构设计中每个喷嘴间都缺一个叶栅，叶栅分为动叶栅和静叶栅，是汽轮机最基本的工作单元。通俗地说，一个叶栅类似于一个蒸汽通道，使机组更平稳地运转。接下来分析顺流优化结构，顺流优化结构分为126只静叶，102只动叶，6个阀门腔室及动叶出口延伸段，腔室出口延伸段计算区域采用非结构化网格，叶栅组的线型与反流初始结构设计相同。随着机组的运转，阀门开度的减小，顺流结构优化设计的优势逐渐展现，顺流结构设计的余速越来越大于反流结构设计的余速，造成余速损失，因此，在实验中不得不做进一步的改进，将原型角落光滑化，管道、腔室连接处光滑化，改变腔室弯转半径。在不同阀门开启的工况下，提高了顺流结构优化设计的气动效率，减少相应损失，实在地保证了机组运行的高效性和经济性。

结 语

随着科学技术的飞速发展，三维造型技术不断成熟，计算机力学的普及以及数值分析软件的大规模开发，大功率汽轮机的调节级气动性能也在不断改进，为了满足现阶段社会工业对汽轮机功能的要求，从环保的角度出发，不断对汽轮机调节级气动性能以及气流激振进行结构优化，努力实现高效率、高经济、高环保，使机组经济简单，安全可靠，平稳运行。本文的优化达到预期效果，在汽轮机叶片腔室等结构上进行的改造对汽轮机以后的优化改造也具有一定的参考意义。

参考文献：

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