趙俊波，蘆 昊，李燕飛，姚福鋒

(中國船舶集團有限公司第七〇三研究所，黑龍江 哈爾濱 150078)

我國經(jīng)濟增長是能源消費需求擴大的最主要驅(qū)動，短期內(nèi)提高能源利用效率依然是以降低資源消耗，減少碳排放為主要途徑[1]，電力行業(yè)的低碳發(fā)展對于我國實現(xiàn)2030年碳減排目標具有重要意義[2]。在“雙碳”目標下，節(jié)能裝備的設計和研發(fā)是重要支撐，與發(fā)達國家相比，我國的能源利用效率還相對偏低，因此加大節(jié)能設備研發(fā)是提高能源利用效率，實現(xiàn)碳排放達峰目標的重要抓手。

隨著我國能源電力事業(yè)不斷發(fā)展，汽輪機的熱力參數(shù)也在提升。熱力參數(shù)升高增加了級內(nèi)壓差，一方面導致葉柵通道內(nèi)蒸汽泄漏量增大；另一方面導致作用于轉(zhuǎn)子的軸向推力提升，影響機組的安全性。通常在沖動式汽輪機的靜葉隔板根部和動葉葉頂設置迷宮式汽封結構，同時在動葉葉輪上設置平衡孔結構，使汽輪機安全高效運行，設計得當?shù)钠胶饪?，還能顯著降低透平級的流動損失[3]。Cofer指出通過靜止部件和轉(zhuǎn)動部件之間密封的泄漏損失占通流氣動損失的近1/4[4]，Barmpalias[5]指出適當延長靜葉機匣延伸段長度能夠通過減少轉(zhuǎn)子入口空腔體積來降低泄漏損失，對提升級效率有好處。文獻[6]指出迷宮式密封是通過將環(huán)形腔室內(nèi)三維渦流的泄漏動能有效地耗散成熱能，從而起到密封作用。陳陽等[7]通過對三級實驗透平的數(shù)值模擬，研究了動葉葉頂間隙、靜葉葉根與隔板間隙的泄漏對透平性能的影響。文獻[8]研究發(fā)現(xiàn)隔板漏汽對葉型損失有比較大的影響, 應該盡量減少隔板漏汽以減輕對末級動葉根部流場的擾動。劉利宏等[9]認為合理設計平衡孔及前后隔板汽封，可以減少泄漏流導致的二次流動，改善葉柵內(nèi)主流的流動。LUO[10]和劉網(wǎng)扣[11]的相關研究表明與無平衡孔的透平級相比，帶平衡孔的級能夠改善級效率。文獻[12]的研究表明對沖動式汽輪機輪式轉(zhuǎn)子中直平衡孔的開設降低了汽輪機運行效率并削弱平衡軸向正推力的作用，為提高汽輪機運行效率及安全性有必要對平衡孔結構進行優(yōu)化設計。文獻[13]針對平衡孔漏汽對透平級性能的影響問題進行了試驗和數(shù)值研究，研究表明根部汽封間隙對級間吸漏汽量的影響很大，平衡孔面積在滿足推力的前提下不宜開得太大。

目前對于濕蒸汽透平級內(nèi)汽封與平衡孔對通流氣動性能的研究較少，透平級性能對機組的經(jīng)濟性和安全性的影響至關重要。因此以某高轉(zhuǎn)速汽輪機末三級為研究對象，建立含動靜、葉汽封及平衡孔的真實汽輪機通流數(shù)值計算模型及不帶靜、葉汽封及平衡孔的通流數(shù)值計算模型，對比研究汽封及平衡孔對透平級氣動性能的影響，以期為濕蒸汽透平級的設計優(yōu)化提供指導。

1 數(shù)值計算方法

1.1 幾何建模

圖1給出某高轉(zhuǎn)速汽輪機末三級幾何模型示意圖，幾何模型含有靜葉隔板汽封、動葉葉頂汽封，前面兩級葉輪各設有一個等效平衡孔。動葉和靜葉的汽封結構均采用高低齒形式的迷宮式汽封，其中動葉葉頂汽封采用斜齒形式，齒數(shù)為3，動葉的徑向間隙充分考慮動葉在高溫和高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的伸長率，動靜間隙設計為6.3～10.3 mm；靜葉的隔板汽封平齒形式，平齒與底部間距為5.9 mm，齒數(shù)為10。

圖1 汽輪機末三級(帶汽封及平衡孔)計算模型

平衡孔的設計需要同時考慮隔板汽封泄漏流量和葉根的流場情況，為了降低計算量對平衡孔做等效處理，分別將5×Φ 40的平衡孔等效在葉輪上。具體參數(shù)如表1所示，相對于真實整圈平衡孔進行等效平衡孔處理的流量誤差<5%。為了更好適應平衡孔與通流部分的耦合計算，將平衡孔與兩側(cè)間隙流動部分(葉輪與隔板的間隙)統(tǒng)一按照平衡孔的周期性來建模。

表1 平衡孔參數(shù)

1.2 網(wǎng)格劃分與數(shù)值方法

對某高轉(zhuǎn)速汽輪機末三級通流部分開展三級計算分析前，選用三套網(wǎng)格開展無關性驗證，發(fā)現(xiàn)總網(wǎng)格數(shù)在大于1048.1萬后三級總總效率幾乎不變，如圖2所示，因此認為該網(wǎng)格可以正確模擬末三級濕蒸汽流動。葉柵通道網(wǎng)格采用Numeca/Autogrid劃分結構化網(wǎng)格，采用HOH拓撲結構，近壁面第一層網(wǎng)格Y+<5，末三級葉片較長網(wǎng)格須大幅加密，葉柵通道網(wǎng)格數(shù)達到841.9萬。汽封和平衡孔網(wǎng)格采用SolidWorks建立三維幾何模型，采用Ansys Meshing劃分結構化網(wǎng)格，該部分總網(wǎng)格數(shù)為206.2萬，最終所有網(wǎng)格模型在CFX中匯總集成。

圖2 網(wǎng)格無關性驗證

數(shù)值計算采用SST湍流模型，自動近壁面處理方法，工質(zhì)采用濕蒸汽模型Steam 3vl以及平衡凝結模型。對流項的離散采用高精度格式?？臻g離散使用有限容積法，采用全隱耦合求解方法，動靜干涉面采用混合平面法(Stage)，汽封與葉柵通道之間采用Frozen Rotor連接保證局部回流可以被更好地捕捉，壁面采用絕熱無滑移條件。進口邊界條件給定進口總壓和總焓，速度方向為垂直于進口邊界，出口邊界條件為靜壓，同時給定動葉轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)方向。

2 計算結果分析

2.1 總體性能

總體等熵效率是通過級的進出口焓降來進行計算分析的，可利用焓降為進口總焓與出口總焓的差值，其定義如下式所示

(1)

h2s——出口等熵靜焓。

作用于沖動式汽輪機轉(zhuǎn)子的軸向推力Fz由三部分構成：蒸汽作用于全部動葉片上的軸向力Fz1，蒸汽作用于輪盤兩側(cè)表面上的軸向力之差Fz2以及蒸汽作用于隔板汽封處軸上凸環(huán)的軸向力Fz3，其中計算Fz2時的輪盤受力面積為輪盤面積減去平衡孔面積，全部動葉片上的軸向力Fz1為

Fz1=G(c1z-c2z)+πdml2(p1-p2)

(2)

式中c1z、c2z——動葉片進口和出口的氣流軸向速度;

p1、p2——動葉片進口和出口的壓力。

如表2所示，對比不含汽封及平衡孔通流部分計算結果，發(fā)現(xiàn)增加了汽封及平衡孔以后三級總焓降由279.07 kJ/kg下降到269.92 kJ/kg，總焓降減少了3.28%，總總效率比不含汽封和平衡孔的純通流下降了2.5%，總軸向推力減少了7.14%。

表2 各級總體性能對比

圖3給出各級熱力膨脹過程線，可以看出總體上各級焓降均勻，對比純通流部分計算結果，發(fā)現(xiàn)增加了汽封和平衡孔結構后，透平各級焓降減少、熵增加，透平整體性能有所降低。其原因是汽封內(nèi)的泄漏流引起的泄漏損失增大，導致工質(zhì)膨脹做功能力下降，從而性能下降。

圖3 各級熱力膨脹過程線(對比純通流部分計算結果)

2.2 泄漏流與軸向推力情況

各處間隙泄漏率情況如圖4所示。靜葉隔板汽封的泄漏流量隨著級數(shù)增加而減少，泄漏率分別為0.479%、0.274%、0.010%。動葉葉頂汽封的泄漏率隨著級數(shù)的增加而有減少的趨勢，由于末級動葉葉頂間隙大于前面兩級，因此末級泄漏率最大達到了4.398%，而前兩級只有2.840%和1.793%。靜葉和動葉間隙相差很小，但是靜葉密封的泄漏率小于動葉密封，原因是葉輪盤直徑大，泄漏流在靜葉隔板間歇的徑向流動長度遠大于動葉，在相同壓差下工質(zhì)更易從葉頂泄漏。

平衡孔內(nèi)泄漏流量逐級減少，泄漏率分別為0.547%和0.358%，流量減少的原因是隨著工質(zhì)膨脹做功，焓值下降，平衡孔兩端壓差減小，通過設置平衡孔使得末三級軸向推力從89.93 kN減少到83.51 kN。

圖4 泄漏率

2.3 泄漏流對主流的影響

通過葉片表面的極限流線能夠直觀的反映葉柵通道內(nèi)的通道渦的大小和發(fā)展情況，同時還可以反映出流動狀態(tài)。圖5給出了各級靜動葉片吸力面的壁面極限流線分布?？梢钥闯銮皟杉墭O限流線分布均勻，葉根和葉頂并沒有出現(xiàn)明顯的展向渦，發(fā)現(xiàn)設置靜葉隔板汽封和動葉葉頂汽封后，展向渦被削弱，部分流線通向汽封，說明汽封造成的流量泄漏使葉柵通道內(nèi)流場更加均勻，減少了二次流損失。在末級動葉壓力面存在流線扭曲，此處產(chǎn)生較大的分離，造成較大二次流損失。

圖5 各級葉片吸力面極限流線分布

3 結論

本文以某高轉(zhuǎn)速汽輪機末三級為研究對象，開展了含汽封和平衡孔的透平級的全三維數(shù)值計算，并與純通流計算進行了對比，得到結論如下：

(1)考慮到汽封和平衡孔結構后，透平級總焓降減少了3.28%，總總等熵效率下降了2.5%，氣動性能有所下降，但軸向推力減少了7.1%，機組安全性有所提高。

(2)級前后壓差隨級數(shù)增加而減少，從而導致汽封和平衡孔內(nèi)泄漏率也隨級數(shù)增加而減少。由于葉輪盤直徑大，泄漏流在靜葉隔板間隙的徑向流動長度遠大于動葉，在相同壓差下工質(zhì)更易從葉頂泄漏。

(3)設置靜葉隔板汽封和動葉葉頂汽封后，展向渦被削弱，部分流線通向汽封，使葉柵通道內(nèi)流場更加均勻。機組設計中應通過對汽封及平衡孔與葉片之間的匹配優(yōu)化設計以減小泄漏損失，提高通流效率。