王娟丽， 钱禹龙， 王姗， 王松， 陶功新， 杨志

（东方电气集团东方汽轮机有限公司， 四川 德阳， 618000）

1 前言

电力是国民经济的基础， 因此对电厂各部件的研究有着至关重要的意义。 汽轮机作为电厂的重要部件， 效率提高对节能降耗以及各经济性指标有重要影响。 数值计算的方法对低压进汽室的分析已经有大量研究[1-3]。

本文用数值分析的方法对某汽轮机低压进汽室进行优化分析， 研究了低压进汽室增加导流环结构， 优化导流环， 以及改变腔室结构等优化措施对进汽室流场、 总压损失等气动性能的影响。

2 数值方法、 模型及网格

2.1 数值方法

数值计算使用商用软件CFX， 生成非结构化网格， 为满足湍流模型要求， 物面添加边界层网格， 网格参数满足分析软件的网格要求。 计算采用SST 湍流模型， 工质采用Steam5； 在高性能计算机上进行， 多节点并行。

2.2 模型及网格

本次分析所用的计算模型， 是根据设计图纸，采用三维建模软件ProE 完成。 本文所研究的4 种模型： Case1为常规进汽腔室， 内无导流环， 进汽腔室结构见图1， 纵剖视图见图2 （a）； case2与case1唯一不同的是带导流环结构1， 见图2（b）；case3是将case2的导流环结构进行改进， 带导流环2， 见图2 （c）， case4进汽腔室上下半收缩并变截面设计， 上下加分流挡板， 并带导流环， 见图3，这种结构设计使气流进入主流通道更加均匀。

图1 整体模型示意图

图2 子午方向剖视图

图3 case4 模型示意图

进汽模型网格划分见图4， 壁面边界层取10层网格， 第一层网格取0.01 mm， 延展比取2.3；几种方案进汽模型网格数大约为750～1100 万个。

图4 进汽模型网格划分示意图

2.3 计算边界条件

（1）进口条件： 在计算过程中， 计算域的进口设定为总压、 总温。 进口总压和总温按照进口面均匀处理。

（2）出口条件： 出口边界条件设定为流量。

（3）固体壁面处理为绝热无滑移边界条件。

计算进口边界条件给定如表1 所示。

表1 低压缸计算边界条件

3 计算结果

3.1 总体性能

计算结果如表2 所示。 无导流结构的case1总压损失最大， case3的整体总压损失比case1小0.03%。 case4的出口流速降低， 总压损失最小，比case3小0.22%， 可见进汽腔室的改进使气流更均匀地流入主流通道， 降低了损失。

表2 低压进汽计算结果

3.2 结果分析

图5 为4 种模型的三维流线图，从图5（a～c）可以看出进汽室下半气流较少， 上半气流比较集中，气流分布很不均匀。 图5（d）气流分布较均匀， 可见进汽腔室结构改进使得腔室流体分布更加均匀。图6 为case1～case3特征截面导流环附近流线图，比较导流环的作用。 图7 为case1～case3的特征截面导流环附件速度云图， 可以看出原始模型与无导流环模型的气流流入出口通道时， 都有个蓝色低速区， 这是因为蒸汽由上向下流， 撞到到缸壁时， 会有一个速度的损失， 在中间部分速度受到缸壁的垂直阻力变得很小， 因而产生了1 个低速区。 而加入导流环以后， 气流由上向下流动的时候， 经过导流环， 使气流平滑分流、 均匀进入两边的出口通道。 中间的低速区消失了， 这也减小了蒸汽动能的损失。 进入出口通道的时候， 由于加入了导流环， 流道呈渐缩状， 因而使气流在流动时候可以重新组织。 速度云图中整个速度层分层减少， 这也说明， 加入导流环以后气流进入第一级的时候气流组织更加均匀， 进而可以提高气流的做功能力。

图5 三维流线图

图6 特征截面流线图

图7 特征截面速度云图

图8 ～9 为case3、 case4的出口截面压力和速度分布云图。 可以看出case4的压力与速度分布都比case3的分布均匀。 因此进汽腔室上下半有不同程度的收缩， 并且增加分流结构使进汽更均匀地分布在整个腔室， 使主流通道气流更加均匀， 降低了出口平均速度， 总压损失大大降低。

图8 出口截面压力云图

图9 出口截面速度分布云图

4 结论

通过计算结果可得出如下结论：

（1）低压进汽室加入导流环后， 气流组织更加均匀， 气流在进入主流通道时由于分流作用， 减弱了气流与垂直壁面的碰撞， 减小了动能损失，提高了做功能力。

（2）低压进汽室结构改进（case4）， 使得进汽腔室气流分布更加均匀， 出口截面压力， 速度等参数分布均匀， 减小了出口气流速度， 使得总压损失大大减小， 比case3的总压损失降低了0.22%。