发电技术 ›› 2022, Vol. 43 ›› Issue (6): 959-969.DOI: 10.12096/j.2096-4528.pgt.21105
石红晖1, 王海波2, 曹蓉秀1, 姚力1, 晏鑫2
收稿日期:
2021-12-31
出版日期:
2022-12-31
发布日期:
2023-01-03
作者简介:
基金资助:
Honghui SHI1, Haibo WANG2, Rongxiu CAO1, Li YAO1, Xin YAN2
Received:
2021-12-31
Published:
2022-12-31
Online:
2023-01-03
Supported by:
摘要:
采用单向流固耦合分析方法,对4种抽汽量(0%、8%、15%和20%)工况下的汽轮机高压缸末级气动和强度性能进行了数值研究,获得了末级变工况条件下的气动效率和动叶气动载荷分布。以气动载荷为边界条件,对包含叶顶汽封和叶根结构的末级动叶强度性能进行了分析,揭示了末级动叶的最大应力和变形量随抽汽量的变化规律。结果表明:随着抽汽量增大,高压缸末两级输出功率近似呈线性减小,20%抽汽量工况下末两级输出功率比设计工况(0%抽汽)降低了约44%;末级出口总温逐渐上升,20%抽汽量工况下末级出口总温比设计工况下高约10 ℃。抽汽量对叶顶和叶根汽封的泄漏特性影响显著,导致变工况时末级总-总等熵效率、反动度和叶栅出口汽流角沿叶高的分布产生变化,尤其是30%叶高以下区域,20%抽汽量时三者较设计工况的最大偏离量分别为3.8%、1.6%和2.4°。在离心力和气动力的作用下,设计工况时末级动叶的最大应力位于T型叶根进汽侧下倒圆处,叶顶最大变形量为0.443 mm,叶片最大应力和最大变形量均随抽汽量的增大近似呈线性减小。
中图分类号:
石红晖, 王海波, 曹蓉秀, 姚力, 晏鑫. 变工况条件下汽轮机高压缸末级气动及强度性能研究[J]. 发电技术, 2022, 43(6): 959-969.
Honghui SHI, Haibo WANG, Rongxiu CAO, Li YAO, Xin YAN. Research on Aerodynamic and Strength Performance of Last Stage in High-Pressure Cylinder of Steam Turbine Under Variable Working Conditions[J]. Power Generation Technology, 2022, 43(6): 959-969.
叶栅 | 叶片数 | 叶高/mm | 弦长/mm | 汽封间隙/mm |
---|---|---|---|---|
S11 | 80 | 106.5 | 38 | 0.8 |
R11 | 64 | 110.5 | 50 | 0.8 |
S12 | 80 | 114.6 | 42 | 0.9 |
R12 | 64 | 118.3 | 59 | 0.9 |
表1 叶栅和汽封的主要几何参数
Tab. 1 Main geometrical parameters for blades and seals
叶栅 | 叶片数 | 叶高/mm | 弦长/mm | 汽封间隙/mm |
---|---|---|---|---|
S11 | 80 | 106.5 | 38 | 0.8 |
R11 | 64 | 110.5 | 50 | 0.8 |
S12 | 80 | 114.6 | 42 | 0.9 |
R12 | 64 | 118.3 | 59 | 0.9 |
边界 | 设置(设计工况) |
---|---|
进口总压Pin /MPa | 9.834 |
进口总温Tin /K | 708.05 |
出口静压Pout /MPa | 7.76 |
动、静叶栅交界面(1)(2)(3) | 冻结转子 |
汽封-主通道交界面(4)(6)(8)(10) | 一般连接 |
汽封-主通道交界面(5)(7)(9)(11) | 冻结转子 |
表2 CFD计算模型的边界条件
Tab. 2 Boundary conditions of CFD computational model
边界 | 设置(设计工况) |
---|---|
进口总压Pin /MPa | 9.834 |
进口总温Tin /K | 708.05 |
出口静压Pout /MPa | 7.76 |
动、静叶栅交界面(1)(2)(3) | 冻结转子 |
汽封-主通道交界面(4)(6)(8)(10) | 一般连接 |
汽封-主通道交界面(5)(7)(9)(11) | 冻结转子 |
ywall/mm | 近壁面平均y+ | 相对偏差/% | ||
---|---|---|---|---|
0.01 | 70.6 | 0.905 8 | 747.08 | 2.037 |
0.005 | 33.1 | 0.904 9 | 746.06 | 1.897 |
0.0025 | 16.9 | 0.905 2 | 742.11 | 1.358 |
0.001 | 7.8 | 0.904 4 | 734.49 | 0.317 |
0.000 5 | 3.6 | 0.904 2 | 732.17 | — |
表3 近壁面第1层网格距离无关性分析
Tab. 3 Independency analysis of the first mesh layer distance near wall
ywall/mm | 近壁面平均y+ | 相对偏差/% | ||
---|---|---|---|---|
0.01 | 70.6 | 0.905 8 | 747.08 | 2.037 |
0.005 | 33.1 | 0.904 9 | 746.06 | 1.897 |
0.0025 | 16.9 | 0.905 2 | 742.11 | 1.358 |
0.001 | 7.8 | 0.904 4 | 734.49 | 0.317 |
0.000 5 | 3.6 | 0.904 2 | 732.17 | — |
节点数/万 | ywall/mm | 相对偏差/% | ||
---|---|---|---|---|
490 | 0.001 | 0.902 3 | 734.87 | 0.204 |
710 | 0.001 | 0.904 4 | 734.49 | 0.152 |
1 049 | 0.001 | 0.904 9 | 733.95 | 0.079 |
表4 叶栅网格密度无关性分析
Tab. 4 Independency analysis for grid density of blades
节点数/万 | ywall/mm | 相对偏差/% | ||
---|---|---|---|---|
490 | 0.001 | 0.902 3 | 734.87 | 0.204 |
710 | 0.001 | 0.904 4 | 734.49 | 0.152 |
1 049 | 0.001 | 0.904 9 | 733.95 | 0.079 |
节点数/万 | ywall/mm | 相对偏差/% | ||
---|---|---|---|---|
238 | 0.001 | 0.904 9 | 734.51 | 0.016 |
479 | 0.001 | 0.904 4 | 734.49 | 0.015 |
958 | 0.001 | 0.904 4 | 734.45 | 0.010 |
表5 汽封网格密度无关性分析
Tab. 5 Independency analysis for grid density of seals
节点数/万 | ywall/mm | 相对偏差/% | ||
---|---|---|---|---|
238 | 0.001 | 0.904 9 | 734.51 | 0.016 |
479 | 0.001 | 0.904 4 | 734.49 | 0.015 |
958 | 0.001 | 0.904 4 | 734.45 | 0.010 |
参数 | 弹性模量/ MPa | 泊松比 | 密度/ (kg·s-3) | 屈服强度 |
---|---|---|---|---|
数值 | 1.99×105 | 0.337 | 7 750 | 735 |
表6 2Cr13在400 ℃下的主要力学性能参数
Tab. 6 Main mechanical property parameters of 2Cr13 at 400 ℃
参数 | 弹性模量/ MPa | 泊松比 | 密度/ (kg·s-3) | 屈服强度 |
---|---|---|---|---|
数值 | 1.99×105 | 0.337 | 7 750 | 735 |
工况 | Pin/MPa | Tout/K | 功率占比/% | ||
---|---|---|---|---|---|
设计工况 | 9.834 | 673.44 | 738.93 | 45.36 | 100 |
8%抽汽 | 9.549 | 676.82 | 680.18 | 36.95 | 81.46 |
15%抽汽 | 9.305 | 680.63 | 628.22 | 30.05 | 66.24 |
20%抽汽 | 9.135 | 683.42 | 591.30 | 25.45 | 56.11 |
表7 高压缸末两级变工况总体参数
Tab. 7 Overall parameters of final two stage variable conditions of high-pressure cylinder
工况 | Pin/MPa | Tout/K | 功率占比/% | ||
---|---|---|---|---|---|
设计工况 | 9.834 | 673.44 | 738.93 | 45.36 | 100 |
8%抽汽 | 9.549 | 676.82 | 680.18 | 36.95 | 81.46 |
15%抽汽 | 9.305 | 680.63 | 628.22 | 30.05 | 66.24 |
20%抽汽 | 9.135 | 683.42 | 591.30 | 25.45 | 56.11 |
图14 加载气动力前后的叶片变形位移分布(放大50倍)(a) 只有离心力 (b) 离心力和气动力
Fig. 14 Deformation displacement distributions of blade before and after loading aerodynamic force (magnify 50 times)
工况 | 位置① | 位置② | 位置③ | 位置④ | 位置⑤ | 位置⑥ |
---|---|---|---|---|---|---|
设计工况 | 236.8 | 289.1 | 391.4 | 214.2 | 420.7 | 379.5 |
8%抽汽 | 238.7 | 283.0 | 375.2 | 207.7 | 408.7 | 374.4 |
15%抽汽 | 240.1 | 278.9 | 361.2 | 202.1 | 398.4 | 370.0 |
20%抽汽 | 240.9 | 276.2 | 351.2 | 198.1 | 390.9 | 366.8 |
表8 变工况叶片、轮盘关键部位的应力 (MPa)
Tab. 8 Stress of key parts of blade and disk under variable conditions
工况 | 位置① | 位置② | 位置③ | 位置④ | 位置⑤ | 位置⑥ |
---|---|---|---|---|---|---|
设计工况 | 236.8 | 289.1 | 391.4 | 214.2 | 420.7 | 379.5 |
8%抽汽 | 238.7 | 283.0 | 375.2 | 207.7 | 408.7 | 374.4 |
15%抽汽 | 240.1 | 278.9 | 361.2 | 202.1 | 398.4 | 370.0 |
20%抽汽 | 240.9 | 276.2 | 351.2 | 198.1 | 390.9 | 366.8 |
工况 | 径向 | 切向 | 轴向 | 总位移 |
---|---|---|---|---|
设计工况 | 0.212 | 0.029 | 0.400 | 0.443 |
8%抽汽 | 0.206 | 0.028 | 0.363 | 0.408 |
15%抽汽 | 0.200 | 0.027 | 0.331 | 0.379 |
20%抽汽 | 0.196 | 0.027 | 0.308 | 0.358 |
表9 变工况叶片顶部最大变形位移 (mm)
Tab. 9 Maximum deformation displacement of blade tip under variable conditions
工况 | 径向 | 切向 | 轴向 | 总位移 |
---|---|---|---|---|
设计工况 | 0.212 | 0.029 | 0.400 | 0.443 |
8%抽汽 | 0.206 | 0.028 | 0.363 | 0.408 |
15%抽汽 | 0.200 | 0.027 | 0.331 | 0.379 |
20%抽汽 | 0.196 | 0.027 | 0.308 | 0.358 |
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