景 偉，楊 銳，楊建道，彭澤瑛

（上海汽輪機(jī)廠有限公司，上海 200240）

半速核電汽輪機(jī)低壓缸末級(jí)葉片的長(zhǎng)度隨著裝機(jī)容量不斷增加而加長(zhǎng)，從而有助于減少低壓缸的數(shù)目，同時(shí)也可以減小余速損失，然而葉片的加長(zhǎng)為設(shè)計(jì)工作帶來(lái)了一系列的挑戰(zhàn)。核電低壓缸末級(jí)長(zhǎng)葉片工作環(huán)境惡劣（濕蒸汽區(qū)），在離心力作用下，長(zhǎng)葉片長(zhǎng)度加長(zhǎng)將導(dǎo)致徑向壓力梯度更大，根部反動(dòng)度降低，這容易引起較大的馬赫數(shù)和根部流動(dòng)分離。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)30年的開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)積累，上海汽輪機(jī)廠長(zhǎng)葉片的開(kāi)發(fā)流程已經(jīng)實(shí)現(xiàn)規(guī)格化、系列化，目前按照約30%的排氣面積間隔，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一系列火電和核電長(zhǎng)葉片。了解和掌握長(zhǎng)葉片的氣動(dòng)性能，開(kāi)發(fā)新型長(zhǎng)葉片及高效核電機(jī)組，在重視節(jié)能減排的今天已經(jīng)得到各大廠方的熱切關(guān)注。本文主要介紹CAP1400 機(jī)組1 710mm 末級(jí)靜葉的優(yōu)化流程及結(jié)果，研究工作對(duì)降低流動(dòng)損失、提高長(zhǎng)葉片級(jí)通流效率有非常重要的意義。

1 優(yōu)化的方法及步驟

1.1 優(yōu)化依據(jù)

優(yōu)化的手段是：在CFD 模擬計(jì)算結(jié)果中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，提出修正，調(diào)整末級(jí)靜葉，對(duì)靜葉調(diào)整過(guò)的流場(chǎng)進(jìn)行分析，保證末三級(jí)進(jìn)口、出口邊界條件不變，以末三級(jí)出力和效率為優(yōu)化目標(biāo)，尋找最佳設(shè)計(jì)方案。

鑒于1 710mm末級(jí)靜葉葉型偏離最佳節(jié)，優(yōu)化的第一步即是增大節(jié)弦比。設(shè)計(jì)中，相對(duì)節(jié)距是有最佳值的，由最佳值增加，葉型壓力面相對(duì)壓力會(huì)相應(yīng)升高，吸力面相對(duì)壓力會(huì)下降，這自然地使出口擴(kuò)壓段增大，進(jìn)而使葉型邊界層阻力引起的氣流能量損失增加；反之，當(dāng)相對(duì)節(jié)距由最佳值減小時(shí)，雖然型面損失會(huì)減小，但是出口邊厚度的相對(duì)值增加會(huì)導(dǎo)致出口邊損失系數(shù)增加［1］。本文的計(jì)算由于缺乏自動(dòng)化程序，計(jì)算量大，因此結(jié)合原設(shè)計(jì)實(shí)際情況，通過(guò)逐漸增加節(jié)弦比來(lái)觀察流場(chǎng)是否改善。

末級(jí)靜葉平均喉節(jié)比增加后，級(jí)反動(dòng)度顯著升高［2］。對(duì)于末級(jí)葉片而言，根部反動(dòng)度高于0.25，頂部反動(dòng)度低于0.65比較合理［3］，原因是：其一，合理的反動(dòng)度分布可以降低次流損失；其二，在小容積流量時(shí)可以規(guī)避因出現(xiàn)負(fù)的反動(dòng)度而引起的回流；其三，根部相對(duì)較大的反動(dòng)度，可以提高根部級(jí)間壓力，降低根部馬赫數(shù)，減小激波損失。

最后，末級(jí)長(zhǎng)葉片靜葉根部氣流往往是超音速流動(dòng)，馬赫數(shù)可能高達(dá)1.8。高的馬赫數(shù)不僅會(huì)帶來(lái)非常大的激波損失，而且對(duì)徑向平衡和動(dòng)葉氣流沖角有很大的影響。當(dāng)然，根部馬赫數(shù)的大小與反動(dòng)度息息相關(guān)。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，我們會(huì)通過(guò)合理設(shè)計(jì)根部反動(dòng)度、優(yōu)化靜葉型線等方法來(lái)降低馬赫數(shù)，以減小損失。有文獻(xiàn)認(rèn)為［4］，氣流在噴管喉部加速到音速以后會(huì)在噴管出口的斜切部分繼續(xù)加速，因此漸縮噴管適用于Ma＜1.3的工況；而對(duì)Ma＞1.3的工況，則需要采用縮放噴管。1 710mm 末級(jí)靜葉采用漸縮噴管，如果根部馬赫數(shù)過(guò)高，則會(huì)造成較大的激波損失和型面損失，因此需要對(duì)靜葉根部型線進(jìn)行優(yōu)化。

1.2 優(yōu)化流程

在不改動(dòng)末級(jí)動(dòng)葉的前提下，通過(guò)對(duì)靜葉片進(jìn)行微調(diào)來(lái)達(dá)到改善通流的目的。首先，減少末級(jí)靜葉片只數(shù)，增加相對(duì)節(jié)距。考慮到靜葉只數(shù)減少的同時(shí)，會(huì)引起通道喉節(jié)比增加，需要準(zhǔn)備兩套方案：其一，在減少葉片只數(shù)的同時(shí)，對(duì)葉片進(jìn)行扭轉(zhuǎn)，以保持喉節(jié)比與原設(shè)計(jì)一致；其二，僅減少葉片只數(shù)，而對(duì)葉片其他參數(shù)不作調(diào)整。然后，根據(jù)1 710mm 末級(jí)根部反動(dòng)度較低、靜葉出口馬赫數(shù)較高等特點(diǎn)，適當(dāng)放大靜葉通道喉節(jié)比。喉節(jié)比增加勢(shì)必會(huì)引起流量的增大，所以需要對(duì)模擬中的流量參數(shù)投入更多的關(guān)注。最后，針對(duì)靜葉根部的出口馬赫數(shù)較高的問(wèn)題，對(duì)該截面的型線進(jìn)行優(yōu)化。具體流程圖見(jiàn)圖1。

2 計(jì)算結(jié)果

圖1 1 710mm 末三級(jí)靜葉優(yōu)化流程圖

在1 710mm 原設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，將靜葉中徑處節(jié)弦比由0.54增加到0.65；喉節(jié)比由0.36調(diào)整到0.41。一共計(jì)算8 個(gè)工況，工況1 記為原設(shè)計(jì)。對(duì)比原設(shè)計(jì)，各工況流量參數(shù)變化非常微小；效率和出力均有增加。本文對(duì)各優(yōu)化階段中最佳的工況（1、5、6、7、8工況）進(jìn)行圖示。計(jì)算結(jié)果如圖2至圖4所示：

圖2 反動(dòng)度沿葉高變化曲線

圖3 末級(jí)靜葉和動(dòng)葉（相對(duì)）進(jìn)出口汽流角沿葉高變化曲線

圖4 馬赫數(shù)云圖

由圖2至圖4可以看出，當(dāng)靜葉片數(shù)目減少（節(jié)弦比增加，喉節(jié)比有所增加）及平均喉節(jié)比增加時(shí)（對(duì)比工況1、5、6），反動(dòng)度整體增加，靜葉進(jìn)口氣流角減小，動(dòng)葉進(jìn)口相對(duì)氣流角增加，靜葉根部馬赫數(shù)降低；僅僅增加靜葉根部喉節(jié)比時(shí)（對(duì)比工況5、7），根部反動(dòng)度增加而頂部反動(dòng)度下降，反動(dòng)度沿葉高分布更均勻，根部動(dòng)葉焓降增加，級(jí)間壓力上升，所以靜葉根部馬赫數(shù)下降。

修改靜葉根部型線對(duì)末三級(jí)三維流場(chǎng)難以造成較大影響，所以流場(chǎng)參數(shù)變化不明顯，這部分將在本文的二維場(chǎng)計(jì)算中進(jìn)行詳細(xì)闡述。對(duì)末級(jí)動(dòng)葉沒(méi)有進(jìn)行任何改動(dòng)，因此動(dòng)葉的出口相對(duì)氣流角基本不變。

型線修改及二維流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果如圖5至圖7所示（以10%相對(duì)葉高截面為例）：

圖5 截面型線修改（虛線為修改后型線）

圖6 優(yōu)化前后葉型表面靜壓分布

圖7 葉柵出口馬赫數(shù)局部放大圖（左側(cè)為修改前，右側(cè)為修改后）

由圖6、圖7可以看出：優(yōu)化后葉柵出口處背弧段壓力升高，馬赫數(shù)降低；內(nèi)弧壓力面壓力降低，馬赫數(shù)升高。從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，葉柵總壓效率從修改前的90.289%升高到91.509%。這些收益可能來(lái)自因葉柵出汽端內(nèi)背弧壓差減小而帶來(lái)的激波損失減小。

3 結(jié)論

本文通過(guò)CFD 三維計(jì)算對(duì)核電1 710mm 末級(jí)靜葉進(jìn)行優(yōu)化，旨在提高汽輪機(jī)出力及效率。以末三級(jí)為例，總結(jié)其效率、出力、流量隨末級(jí)節(jié)弦比、喉節(jié)比、級(jí)反動(dòng)度等重要?dú)鈩?dòng)參數(shù)而變化的規(guī)律；同時(shí)，通過(guò)對(duì)靜葉根部型線進(jìn)行修改以適應(yīng)靜葉根部較高的馬赫數(shù)。通過(guò)計(jì)算和優(yōu)化后，末三級(jí)效率和出力明顯提高。

雖然實(shí)際葉片設(shè)計(jì)是更多氣動(dòng)參數(shù)綜合優(yōu)化的結(jié)果，但本文基于上述參數(shù)的優(yōu)化結(jié)果對(duì)低壓缸末級(jí)長(zhǎng)葉片的開(kāi)發(fā)仍具有一定的參考價(jià)值，能夠?yàn)槠髽I(yè)低壓缸末級(jí)長(zhǎng)葉片的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)起到積極的推進(jìn)作用。

［1］蔡頤年.蒸汽輪機(jī)［M］.西安：西安交通大學(xué)出版社，2007.

［2］程凱，彭澤瑛.末級(jí)長(zhǎng)葉片幾何參數(shù)對(duì)汽輪機(jī)流場(chǎng)氣動(dòng)特性的影響［J］.熱力透平，2008，37（3）：168－173.

［3］李春，張禹，劉躍飛.大型空冷汽輪機(jī)通流設(shè)計(jì)［J］.汽輪機(jī)技術(shù)，2006，48（4）：259－261.

［4］STüER H，TRUCKENMüLLER F，BORTHWICK D，et al.Aerodynamic Concept for Very Large Steam Turbine Last Stages［C］／／Proceedings of GT2005，ASME Trubo Expo 2005，Power for Land，Sea and Air June.Nevada，USA：［s.n.］，2005：GT2005－68746.