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汽轮机叶型的三维数值模拟及优化

2021-03-17 来源:易榕旅网
2015薤 1月 郑州大学学报(工学版) Journal of Zhengzhou University(Engineering Science) Jan. 2015 Vol_36 No.1 第36卷 第1期 文章编号:1671—6833(2015)O1—0049一O5 汽轮机叶型的三维数值模拟及优化 周俊杰,王梅玲,郭朋飞,王定标 (郑州大学化工与能源学院,河南郑州450001) 摘要:以25 MW凝气式汽轮机的某级叶片为研究对象,利用ANSYS Workbench平台中的旋转机械分 析系统对该级叶片进行了静、动联合三维数值模拟优化.结果表明,优化后叶片压力系数分布较好,降低 了叶片表面压差分布,有效控制径向二次流损失;总压损失系数有所减小,平均总压损失系数降低1%; 等熵效率由原来的92.099%提高至93.157%.优化后的叶型明显提高了气动性能,降低叶型能量损失。 增加了汽轮机效率. 关键词:汽轮机;叶片;气动性能;数值模拟 . 中图分类号:TK26 文献标志码:A doi:10.3969/j.issn.1671—6833.2015.01.O12 0 引言 汽轮机是一种以过热蒸汽为动力,并将蒸汽 1 数学物理模型 的热能转化为机械能的旋转机械.设计高性能的 蒸汽轮机,是目前叶轮机械领域技术研发的重要 目标.汽轮机级内损失主要有型线损失、漏气损 失、湿气损失、鼓风摩擦损失等…. 在国内汽轮机的设计中,目前更多的是应用 CFD软件为主,辅以必要的实验对现有叶片进行 优化设计,从而节省经费和减少研制时间.MHI 公司利用CFD软件对165 MW汽轮机叶片和汽 封进行优化,最终得到性能良好的低压级叶片和 汽封 .岳国强等 对两套具有不同前缘直径和 分布的叶栅进行对比吹风试验,结果表明选择适 当的前后缘直径及合理匹配出口逆压段长度与逆 压梯度值,可以有效地减少叶栅的二次流损失.薛 彦光 利用CFX对300 MW汽轮机高压级静叶 图1汽轮机结构 Fig.1 Structure of steam turbine 栅流场进行数值模拟,并分析了叶栅通道二次流 发展特点.崔海涛 、王定标等 对汽轮机进行 了三维数值模拟,并根据模拟结果对叶片进行了 优化设计. 1.2数学模型 汽轮机叶片间流动通道内的流动满足质量、 动量以及能量守恒方程. 质量守恒方程 圳: a + a (pUj)=0. (1)、  笔者主要借助ANSYS Workbench平台中的 旋转机械分析系统软件,分析叶片间内流体的流 动,研究叶型对流道内流体的影响,从而实现叶型 优化,减少级能量损失,提高汽轮机效率. 收稿日期:2014—08—07;修订日期:2014—11—10 基金项目:国家自然科学基金资助项目(51276173) 作者简介:周俊杰(1974一),男,河南太康人,郑州大学副教授,博士,主要研究方向为数值计算技术及其在过程设备 中的应用,E-mail:zhoujj@ZZU.edu.cn. 动量方程: 8t 十 8:一望+ .。c ax ax (2) 、 50 郑州大学学报(工学版) 2015钲 式中:P为密度;t为时间;u ,uj分别为i方向、 方 向上的速度;Tij为黏性应力. 能量方程: 1.3 网格划分及边界条件 笔者模拟汽轮机级内的流动性能,为了取消 前、后级对该级性能的影响,保证流场的稳定性, = af a + Ox j Pr 等 a … .(3)用H/J/C/L—Grid拓扑结构,生成网格后的节点 r 分别对静、动叶的前后端均作适当的延长处理.采 总数为120 000.图2(a)为计算流道三维模型图, 式中:c 为比热容;T为温度;最后一项表示其他 形式导入的能量. 图2(b)为计算区域网格示意图. 表1叶型安装参数 Tab.1 Parameters of blade 置处,优化叶型压力面上的压力与原始叶型基本 一致,而吸力面压力比原始叶型大.因此优化后叶 型在0~0.8轴向弦长处表面压差减小,有利于二 (a)计算流道三维模型 ●一 (b)计算区域网格示意图 图2计算及网格模型 Fig.2 Computation and Mesh model 1 l 次流损失的降低;0.8~0.9弦长处,原始叶型吸 力面发生较为剧烈的扩压,而优化叶型则出现了 压力平缓区,优化叶型压力面上的压力比原始叶 型略有增加;0.9~1轴向弦长处,优化叶型与原 始叶型吸力面均出现了扩压,压力面上压力基本重 选用P.Total Inlet P.Static Outlet模式的边界 O 0 。 条件、Frozen Rotor交界面模式,来流方向垂直于 进口截面.具体参数设置为:进口总压0.088 9 MPa,出口静压0.050 99 MPa,进口总温369.5 K. 1.4 工质属性 幽0 0 —为更好地模拟实际状况,这里采用平衡态的 水蒸气.首先在CFX中分别创建单相水和水蒸 0 0 -气,然后再通过设置参数的方式建立平衡态的水 蒸气,定义单相水和水蒸气的最高温度为500 K, 最低压力为0.01 MPa,最高压力为0.45 MPa,最 轴向弦长 f a)静叶压力系数 大点数为100,定义单相水最低温度为250 K,水 蒸气的最低温度为273.15 K. 1.2 1.O O.8 2计算结果分析 2.1 叶型表面静压系数分析 叶片表面静压系数计算表达式为 辍O.6 .杂o垛 4 0.2 0.0 —c : l_ Pi . (4) 0.2 一p。 t -o.4 式中:pi是叶片表面上任一点处的静压;p。 是叶 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 轴向弦长 片出I=1静压;pi:llet是叶片的进I=I滞止压力. 图3为原始工况下静、动叶片的压力系数分 布曲线图.由图可以看出,在静叶0—0.8轴向位 (b)动叶压力系数 图3叶片表面压力系数分布 Fig.3 The pressure coeficient of blfade 52 郑州大学学报(工学版) 2015焦 图8为等熵效率沿叶高分布曲线,从图中可 以看出,静叶的等熵效率在叶根和叶顶处较低,说 明在叶根和叶顶处叶栅损失较大.优化后叶型等 熵效率只在叶根处较原始叶型低,但是在0.2—1 叶高处等熵效率均有所增加.动叶等熵效率较静 叶小,说明动叶中损失比较严重,叶型优化后等熵 效率在叶根至0.4叶高处比原始叶型小,而在0.4 至叶顶处比原始叶型处大,可以考虑采用变截面 叶型来减小损失,提高叶型效率.图9为型线优化 前后对比. 圈8等熵效率沿叶高分布曲线 Fig.8 Distribution of isentropic efifciency along span normalized 一原始叶型 一原始叶型 一…优化叶型 优化叶型 (a)静叶 (b)动叶 图9优化前后型线 Fig.9 Blade line before and after optimization 3 结论 (1)优化叶型压力面上的压力与原始叶型基 本一致,而吸力面上压力比原始叶型大,但中部压 力降较小;动叶区域速度明显增大,动叶顶部出口 截面上速度略小于原始叶型,有利于降低叶片余 速损失,增加叶片做功能力. (2)静叶总压损失系数沿叶高逐渐增加,通 过优化,静叶总压损失系数下降1%. (3)静叶的等熵效率在叶根和叶顶处较低, 优化后叶型等熵效率在叶根处较原始叶型低,但 是在0.2~1叶高处均增加.动叶叶型优化后等熵 效率在0~0.4叶高处比原始叶型小,而在此范围 之外大于原始叶型.优化后级内等熵效率由原来 的92.099%增加至93.157%. 参考文献: [I] 雷风林.汽轮机末级变工况性能研究与流道改进设 计[D].郑州:郑州大学化工与能源学院,2010. [2] WATANABE E,TANAKA Y,NAKANO T,et a1. Development of new high efifciency steam turbine[J]. Mitsubishi Heavy Ind.Tech.Rev,2003,40(4):1 —6. [3] 岳国强,李殿玺,韩万金,等.两套后部加载叶栅的 对比实验研究[J].热能动力工程,2005,2O(2): 125—129. [4] 薛彦光.汽轮机级内二次流的数值模拟[D].吉林: 东北电力大学能源与动力工程学院,2012. [5] 崔海涛.汽轮机内部流场数值模拟及叶片改进优化 [D].大连:大连理工大学能源与动力学院,2006. [6] 王定标,雷风林,向飒,等.汽轮机末级变工况三维 数值模拟与叶型改进设计(J].郑州大学学报:工学 版,2010,31(5):1—4. [7] 王福军.计算流体动力学分析[M].北京:清华大学 出版社,2004. [8] 陶文铨.数值传热学[M].西安:西安交通大学出版 社,2001. 第1期 周俊杰,等:汽轮机叶型的三维数值模拟及优化 53 Three-Dimensional Numerical Simulation and Optimization of Steam Turbine Blade ZHOU Jun-jie,WANG Mei-ling,GUO Peng-fei,WANG Ding-biao (School of Chemical Engineering&Energy,Zhengzhou University,Zhengzhou 450001,China) Abstract:The three—dimensional numerical simulation and optimization of the last stage of a 25 MW condensa— ble steam turbine are conducted by using ANSYS Workbench,a platform of analysis system specially for the rotating machinery.The results show that the modified blade has a better pressure coefficient distribution,re— duces the differential pressure distribution of blade surface,effectively controls the radial secondary flow los— ses.Total pressure loss coefficient is reduced,and the average total pressure loss coefficient is reduced by 1 %.Isentropic efifciency increases from 92.099%to 93.1 57%.After optimization,the aerodynamic per— formance of the blade increases obviously,the energy loss in the blade is reduced and the efifciency of steam turbine increases. Key words:steam turbine;blade;aerodynamic performance;numerical simulation (上接第48页) [7] KALIATKA A.Benchmarking analysis of water hammer 学技术,2011,45(10):1185—1190. effects using RELAP5 code and development of RBMK [9] 陈选相,吴攀,单建强.钠冷快堆分析程序ATHAS— 一1500 reactor main circulation circuit model[J].An. LMR的子通道模型[J].原子能科学技术,2012,46 nals of Nuclear Energy,2007,34(1/2):1—12. (6):695—700. [8] 王伟伟,苏光辉,田文喜,等.APIO00主回路系统热 [10]于平安.核反应堆热工分析[M].上海:上海交通大 工水力瞬态计算程序RETAC的开发[J].原子能科 学出版社,1980:34—44. Numerical Study of Thermal hydraulics Characteristics of 900 MW PWR WANG Wei.shu ,GUO Hui-jun ,LIANG Cheng.sheng ,XU Wei.hui (1.Thermal Engineering Research Center,Noah China University of Water Resources and Electric Power,Zhengzhou 450011, China;2.Hebei Huare Engineering Design co.Ltd.,Shijiazhuang 050000,China) Abstract:The steady.state thermal analysis model of reactor core was established for a 900 MW pressurized water reactor.The steady—state therma1.hydraulic of reactor core was calculated and analyzed with COBRA. IV.The temperature of fuel element,coolant flow distribution and temperature and the departure from nucleate boiling ratio(DNBR)of the reactor core were obtained.The results show that the coolant in the core exits lat. eral flow from the center to the around.The maximum temperature of coolant in the core outlet is up to 338.2 。【=.The maximum temperature of fuel in the core is up to 1 350℃.The maximum temperature of cladding surface and fuel pellet appears above the center.The DNBR near the inlet is much higher than near the outlet, and the minimum DNBR appears near the center. Key words:nuclear reactor;subchannel analysis;heat transmission in the core;thermal hydraulic 

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