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    0 引言

    汽輪機作為火力發(fā)電系統(tǒng)中最主要的動力裝置之一，在發(fā)電過程中起著舉足輕重的作用。大功率高參數(shù)汽輪發(fā)電機組由于其經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)勢，成為目前汽輪機的主要發(fā)展方向。隨著用戶對電力的需求以及我國電力行業(yè)結(jié)構(gòu)的改革，大多數(shù)汽輪機參與電網(wǎng)調(diào)峰而經(jīng)常處于變工況運行的狀態(tài)?，F(xiàn)階段汽輪機配汽方式主要有兩種：噴嘴配汽和節(jié)流配汽。調(diào)節(jié)級的運行方式主要是定壓運行和滑壓運行，大型火電汽輪發(fā)電機組通常是運行方式和配汽方式的不同組合。噴嘴配汽汽輪機的變工況運行是通過調(diào)節(jié)閥的開啟程度來實現(xiàn)的，調(diào)節(jié)閥?調(diào)節(jié)級段的流動復(fù)雜且調(diào)節(jié)級通常是部分進(jìn)汽，流動效率低。開展調(diào)節(jié)閥布置方式及運行方式對機組及調(diào)節(jié)級流動規(guī)律的研究，分析損失產(chǎn)生的機制，能夠為大功率汽輪機的熱力氣動和動力學(xué)設(shè)計、分析，處理運行中可能遇到的問題提供理論上的支持。

    國內(nèi)外許多學(xué)者對部分進(jìn)汽調(diào)節(jié)級進(jìn)行了多方面研究。Denton等研究了機組運行方式與部分進(jìn)汽汽輪機級損失的關(guān)系。Fridh等在空氣透平上實驗研究了部分進(jìn)氣引起的非均勻流動對透平氣動性能的影響，Hushmandi等數(shù)值研究了部分進(jìn)汽汽輪機的非定常流動并與實驗進(jìn)行了對比，結(jié)果表明非進(jìn)汽弧段出口的流體和主汽流形成很強的黏性剪切力，導(dǎo)致調(diào)節(jié)級的損失很大。對部分進(jìn)汽調(diào)節(jié)級進(jìn)行了數(shù)值模擬和實驗對比，研究了部分進(jìn)汽對機組效率和穩(wěn)定性的影響。

    國內(nèi)對調(diào)節(jié)級的研究主要集中在變工況下調(diào)節(jié)級的流動特性分析、汽流激振力分析和運行方式優(yōu)化上。調(diào)節(jié)級內(nèi)流動特性的分析，一方面可以通過編程軟件如Matlab等進(jìn)行，但更多的是使用商用CFD軟件進(jìn)行級內(nèi)復(fù)雜流動模擬。對部分進(jìn)汽調(diào)節(jié)級的三維流動特性和級內(nèi)不平衡汽流力進(jìn)行了數(shù)值計算，結(jié)果顯示部分進(jìn)汽除了影響流動效率，還會影響機組的運行安全性。則對變工況下汽流激振力對汽輪機運行的安全性和穩(wěn)定性的影響進(jìn)行了數(shù)值分析。田豐等對某大功率汽輪機單順序閥滑壓運行機組做了現(xiàn)場試驗，發(fā)現(xiàn)單閥運行時高壓缸效率較低。此外，根據(jù)對調(diào)節(jié)級運行特性的分析，提出了配汽和結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。

    為了考慮蒸汽流經(jīng)調(diào)節(jié)閥、蒸汽管道進(jìn)入調(diào)節(jié)級的流動過程，本文建立了調(diào)節(jié)閥-調(diào)節(jié)級的整段三維模型，采用ANSYS-CFX軟件數(shù)值研究了某亞臨界600MW再熱凝汽式汽輪機在5種變工況運行條件下的調(diào)節(jié)閥-調(diào)節(jié)級段三維流動與壓力損失特性。

    1 計算模型與邊界條件

    圖1是某亞臨界600MW汽輪機調(diào)節(jié)閥?調(diào)節(jié)級段的計算模型示意圖，圖2是調(diào)節(jié)級的4個特征截面的示意圖。從兩個主汽閥出來的蒸汽，流經(jīng)4個調(diào)節(jié)閥、高壓進(jìn)汽管道進(jìn)入調(diào)節(jié)級配汽腔室，再通過加強筋流道進(jìn)入調(diào)節(jié)級葉柵通道。調(diào)節(jié)級靜葉柵由4個噴嘴組組成，呈不對稱布置。4個噴嘴組所占的弧段長度不同，其中I閥控制的噴嘴組1和IV閥控制的噴嘴組4各包含57只靜葉片，II閥控制的噴嘴組2和III閥控制的噴嘴組3各包含35只靜葉片。機組運行時，首先是II閥和IV閥同時開啟，然后是III閥，最后是I閥。調(diào)節(jié)閥和調(diào)節(jié)級的主要幾何參數(shù)如表1、2所示。

圖1 調(diào)節(jié)閥-調(diào)節(jié)級段的計算模型示意圖

圖2 調(diào)節(jié)級特征截面示意圖

表1 調(diào)節(jié)閥的主要幾何參數(shù)

表2 調(diào)節(jié)級的主要幾何參數(shù)

    由于調(diào)節(jié)閥-調(diào)節(jié)級段的整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，幾何尺寸較大，因此將計算區(qū)域分成多塊并分別用ANSYSICEM和NUMECAAutogrid5生成網(wǎng)格，經(jīng)過網(wǎng)格無關(guān)性驗證，最終確定得計算網(wǎng)格節(jié)點總數(shù)約為710萬。

    本文選取如表3所示的5種閥門開度組合進(jìn)行研究。這5種工況下，除了調(diào)節(jié)閥由于開度變化需重新進(jìn)行建模和網(wǎng)格劃分外，其余各部分網(wǎng)格均保持不變。

    采用時均化N-S方程和SST湍流模型進(jìn)行計算，在動/靜交界面處采用凍結(jié)轉(zhuǎn)子模型來處理數(shù)據(jù)的傳遞。進(jìn)口邊界給定總壓和總溫，出口給定質(zhì)量流量。5種工況下，調(diào)節(jié)閥前蒸汽的總壓和總溫均為17MPa和538℃，調(diào)節(jié)級出口則按照實際運行情況分別給定質(zhì)量流量，如表3所示。進(jìn)口湍流度取為5%。動葉柵轉(zhuǎn)速為3000r/min。各固體壁面均設(shè)定為絕熱無滑移壁面。在連續(xù)方程和動量方程的殘差為10^-5數(shù)量級且進(jìn)出口流量相差小于0.1%時，認(rèn)為計算收斂。

表3 計算工況和質(zhì)量流量

    2 調(diào)節(jié)閥-調(diào)節(jié)級段的三維流動

    調(diào)節(jié)閥-調(diào)節(jié)級段內(nèi)的流動是復(fù)雜的有旋流動。限于篇幅，圖3僅給出了2種閥門開度下的調(diào)節(jié)閥-調(diào)節(jié)級段三維流線圖?？傮w上看，當(dāng)4個閥門都開啟（I閥部分開或四閥全開）時，蒸汽將充滿整個調(diào)節(jié)閥?調(diào)節(jié)級段的流域，流動情況較好；當(dāng)兩閥全開、Ⅲ閥部分開或三閥全開時，未開啟閥門所對應(yīng)的進(jìn)汽管道內(nèi)沒有汽流通過，導(dǎo)致在配汽腔室和噴嘴葉柵中流動情況較差，引起較大流動損失。

圖3 調(diào)節(jié)閥-調(diào)節(jié)級段的流線及速度分布

    調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，閥內(nèi)部的流動呈現(xiàn)出復(fù)雜的三維流動現(xiàn)象。蒸汽在流經(jīng)2個主汽閥門時，沒有出現(xiàn)通流面積的突然變化，調(diào)節(jié)閥前的流動基本均勻，流動情況良好。

    圖4給出了2種閥門開度下調(diào)節(jié)閥內(nèi)的流線分布。兩閥全開或III閥部分開工況下，2股蒸汽在繞流II、IV調(diào)節(jié)閥閥桿時，在閥桿后面匯集產(chǎn)生很強的有旋流動，導(dǎo)致流動損失較大，通過閥喉部后呈旋流狀。I閥半開與四閥全開情況類似，流體繞過II閥與IV閥后形成漩渦，流動較差。從圖4還可以看出，蒸汽流經(jīng)調(diào)節(jié)閥時，節(jié)流作用主要出現(xiàn)在調(diào)節(jié)閥后迎接來流的喉部處，該處的汽流速度最大。

圖4 調(diào)節(jié)閥內(nèi)的流線分布

    從調(diào)節(jié)閥出來的蒸汽進(jìn)入高壓進(jìn)汽管時是復(fù)雜的有旋流動，這種強烈的旋流會在管道中帶來一定的流動損失。

    圖5是2種閥門開度下的調(diào)節(jié)級配汽腔室、加強筋以及葉柵通道內(nèi)流線分布圖。II、IV閥全開時，I和III調(diào)節(jié)閥均處于關(guān)閉狀態(tài)，I和III閥對應(yīng)的配汽腔室中充滿大量低能蒸汽。整個噴嘴葉柵通道的上半部分沒有蒸汽進(jìn)入，該區(qū)域滯留的大量低速蒸汽會對動葉通道中的流動產(chǎn)生很大的影響，因此成為損失產(chǎn)生的主要區(qū)域。

    III號閥部分開啟時，由于閥門開度較小，對應(yīng)配汽腔室中流速較低。同時I閥仍處于關(guān)閉狀態(tài)，I閥對應(yīng)的配汽腔室和噴嘴組1中滯留有低速蒸汽，對動葉柵通道中的流動也產(chǎn)生較大的影響。三閥全開與III閥部分開啟時的流動情況相似。

    I閥部分開或四閥全開時，蒸汽在進(jìn)入配汽腔室后沒有出現(xiàn)集中流向某一噴嘴組弧段的現(xiàn)象，而是能夠很好地分布在整個配汽腔室所對應(yīng)的噴嘴葉柵中，腔室中沒有旋流產(chǎn)生。蒸汽通過四個噴嘴組后進(jìn)入到動葉柵中，雖然中分面和2個V型口將靜葉柵分成4組噴嘴組，但由于4個配汽腔室都有蒸汽進(jìn)入，所以蒸汽在動葉柵中的分布比較均勻。

    如果某調(diào)節(jié)閥處于關(guān)閉狀態(tài)，該閥所對應(yīng)的配汽腔室和噴嘴組中沒有蒸汽流過，當(dāng)動葉柵從進(jìn)汽噴嘴組轉(zhuǎn)到非進(jìn)汽噴嘴組時，由于非進(jìn)汽腔室中壓力比動葉柵中的壓力低，壓差作用使動葉通道中的流體被抽吸到非進(jìn)汽腔室以及對應(yīng)的噴嘴葉柵中，被抽吸進(jìn)腔室和噴嘴中的蒸汽壓力小、速度低，最后在腔室中形成強烈的有旋流動。

    3 總壓損失

    總壓損失系數(shù)定義為

        （1）

    式中：p^*0為調(diào)節(jié)閥前新蒸汽總壓；p^*2為流場中的當(dāng)?shù)乜倝骸?/p>

圖5 調(diào)節(jié)級內(nèi)的流線和速度分布

    圖6是5種工況下調(diào)節(jié)閥中截面上的總壓損失系數(shù)分布圖?？梢钥闯?，調(diào)節(jié)閥內(nèi)總壓損失較大的部位在調(diào)節(jié)閥的喉部，這部分損失就是閥門的節(jié)流損失；閥碟下方“空穴”區(qū)和調(diào)節(jié)閥下游進(jìn)汽管入口部分區(qū)域充滿很強的旋流，也會引起大量能量耗散，產(chǎn)生較大的流動損失。當(dāng)閥門部分開啟時，這兩種損失都將顯著增大。此外，腔室內(nèi)II閥和IV閥之間區(qū)域的壓力損失較大，其原因主要是流體繞過II、IV閥的閥桿后相互摻混，形成旋流流動而產(chǎn)生能量耗散，總壓損失比腔室內(nèi)其他部分略高一些。還可以看出，對于III閥部分開、三閥全開這樣不對稱性很強的結(jié)構(gòu)，腔室內(nèi)的總壓損失與其他工況相比要大。I閥部分開啟減弱了閥內(nèi)流動的不對稱性，但同時I閥喉部節(jié)流損失較大，使得總壓損失系數(shù)整體也比較大。

圖6 調(diào)節(jié)閥中分面上的總壓損失系數(shù)分布圖

    表4列出了5種工況各閥出口處的總壓損失系數(shù)（按流量平均值計算）。全開閥門對應(yīng)的總壓損失系數(shù)較小，通常在1%以下，而部分開啟的閥門總壓損失系數(shù)要大一些，特別是在閥門開啟程度較小的時候，調(diào)節(jié)閥喉部的節(jié)流損失非常大。

表4 調(diào)節(jié)閥出口上的平均總壓損失系數(shù)

    圖7是5種工況下調(diào)節(jié)級4個特征截面上總壓損失系數(shù)分布圖。調(diào)節(jié)級中的總壓損失系數(shù)具有明顯非軸對稱性分布特點。未開啟和部分開啟閥門對應(yīng)的調(diào)節(jié)級腔室、噴嘴組和動葉，總壓損失都相對較大，部分進(jìn)汽級所特有的鼓風(fēng)損失和弧端損失較為明顯。由于動葉的旋轉(zhuǎn)，該弧段內(nèi)總壓損失系數(shù)沿周向也呈非均勻分布，對調(diào)節(jié)級葉柵通道內(nèi)的流動有一定影響，且這種影響還會延伸到下游的壓力級。兩閥全開時，II號和IV號腔室、I號和III號腔室出口的總壓損失系數(shù)分布相似。I閥部分開與四閥全開時，腔室出口的總壓損失系數(shù)分布較為均勻，這是因為4個腔室中都有主蒸汽流過，調(diào)節(jié)級基本處于全周進(jìn)汽，除了中分面與V型槽附近較小區(qū)域外，流動基本呈現(xiàn)軸對稱性和周期性。

圖7 調(diào)節(jié)級特征截面上的總壓損失系數(shù)分布圖

    由于I、IV號腔室的容積大于II、III號腔室，蒸汽的膨脹較大，損失也較大；另外，由于I、IV號腔室一端存在較強的旋流，產(chǎn)生一定的能量耗散，也導(dǎo)致的總壓損失增大。在動葉柵由非進(jìn)汽部分轉(zhuǎn)到進(jìn)汽部分的區(qū)域，總壓損失系數(shù)最大，這主要是各噴嘴組之間非進(jìn)汽部分引起的弧端損失造成的。由于動葉的旋轉(zhuǎn)混合作用，除中分面附近外，動葉出口處的總壓損失系數(shù)沿周向的不均勻分布得到了一定程度的緩和。另外，噴嘴和動葉尾跡處的分離流動也是總壓損失的一個重要來源。從圖7還可以看出總壓損失系數(shù)沿徑向的分布。由于該調(diào)節(jié)級采用的噴嘴和動葉都是小展弦比葉片，因此噴嘴和動葉的上下通道渦產(chǎn)生的二次流損失也比較明顯。對四閥全開的工況而言，調(diào)節(jié)級中總壓損失的主要來源就是弧端損失和二次流損失。

    表5給出了各工況下調(diào)節(jié)級的性能。隨著調(diào)節(jié)閥的依次開啟和流量的增大，調(diào)節(jié)級的效率和速比呈增大趨勢。兩閥全開時調(diào)節(jié)級溫度和壓力下降較大，雖然整級的焓降很大，但余速損失也大，級效率比較低；隨著Ⅲ閥的開啟，焓降有所減小，級效率增大。四閥全開時速比接近最佳速比。焓降、功率和余速損失則減小。III閥部分開工況是上述變化趨勢中的一個特例，其速比較大，余速損失較小，原因可能是是受到了上游調(diào)節(jié)閥節(jié)流作用的影響。

表5 調(diào)節(jié)級總體性能^*

注：*功率通過扭矩計算得到，效率為輪周效率；焓降、余速損失和速比都是流量平均值。

    結(jié)合幾何結(jié)構(gòu)分析，在變工況時使配汽閥門對稱啟閉有助于減小調(diào)節(jié)閥內(nèi)的流動損失；同時為了避免調(diào)節(jié)級內(nèi)蒸汽過度膨脹，應(yīng)根據(jù)實際運行需要使腔室容量相對較大的閥門盡量處于全開啟狀態(tài)，用小容量閥門調(diào)節(jié)流量。另外，對蒸汽流道形狀和動靜葉柵葉型進(jìn)行優(yōu)化也能減小調(diào)節(jié)閥?調(diào)節(jié)級段變工況的流動損失。

    4 結(jié)論

    通過對5種變工況運行條件下的某亞臨界600MW汽輪機調(diào)節(jié)閥?調(diào)節(jié)級段三維定常流動與壓力損失特性的數(shù)值研究與分析，得到如下結(jié)論：

    1）調(diào)節(jié)閥-調(diào)節(jié)級段的流動是復(fù)雜而強烈的有旋流動。調(diào)節(jié)閥喉部會產(chǎn)生較大的節(jié)流損失；閥碟下方的“空穴”區(qū)和調(diào)節(jié)閥下游進(jìn)汽管入口的部分區(qū)域充滿很強的漩渦，也引起較大的壓力損失。

    2）當(dāng)4個調(diào)節(jié)閥全部開啟時，蒸汽將充滿所有的閥門、高壓管道，配汽腔室以及調(diào)節(jié)級葉柵通道，調(diào)節(jié)閥-調(diào)節(jié)級段的流動性能良好；當(dāng)某調(diào)節(jié)閥處于關(guān)閉狀態(tài)，則該閥門所對應(yīng)的配汽腔室和噴嘴組中沒有蒸汽流過，動葉從進(jìn)汽弧段轉(zhuǎn)到非進(jìn)汽弧段過程中，動葉通道中的流體被抽吸到非進(jìn)汽腔室以及對應(yīng)的噴嘴葉柵中，在腔室中形成大量的漩渦，引起該區(qū)域內(nèi)較高的壓力損失。

    3）調(diào)節(jié)級內(nèi)的流動表現(xiàn)出很明顯非軸對稱性。未開啟以及部分開啟閥門對應(yīng)的調(diào)節(jié)級腔室、噴嘴組和動葉，總壓損失都相對較大。

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