东方电气集团东方汽轮机有限公司 四川德阳 618000
摘要：研究叶栅内的流场特性对于提高机组的效率具有重要的理论意义和应用价值。本文基于三维粘性可压缩N-S方程，运用有限体积法，构造了单级纯通流的三维计算模型，分析了透平级内流场的特性。研究发现，该工况下级内流动平稳，动叶后部处于超音速区域且蒸汽处于湿蒸汽区。
关键字：流场；效率；水蒸气
Numerical Study Of Flow Field Characteristics In a Turbine Stage
Wen-Mou,Zhang-Peng fei,Zhang-Weirong,Jing-Fangbo,Guo-Zhihua
DongFang Turbine Co.,Ltd., Deyang 618000, China
Abstract: The study of the flow field characteristics in the cascades is of great theoretical significance and application value for improving the efficiency of the unit. This paper is based on viscous compressible Navier-Stokes equation, a three-dinmensional computational model of single stage pure flow is constructed by using Finite-Volume method and the characteristics of the flow field in the turbine stage are analyzed. The result show that the flow is stable in the stage, the rear of the rotor is in the supersonic region and the steam is in the wet steam region.
Keywords: flow field; efficiency;water vapor
前言
火力发电中的蒸汽轮机性能的提高是保证清洁煤发展战略实施的必要条件，因此提高汽轮机效率对能源工业和环保事业具有很现实的意义。汽轮机效率与其通流部分的流动效率紧密相关，漏气损失、二次流损失以及尾迹流损失占级总损失的绝大部分。因此，研究叶栅内的流场特性对于提高机组的效率具有重要的理论意义和应用价值。
本文基于三维粘性可压缩N-S方程，采用结构化六面体网格，运用有限体积法，构造了单级纯通流的三维计算模型，详细分析了透平级内流场的特性，从而为提高机组效率提供参考性意见。
1 数值模拟方法
1.1 计算方法
本文采用商用计算软件CFX求解三维定常粘性雷诺时均N-S方程组，其通用控制方程[1]为：
水蒸汽的平衡态凝结模型是一种带有相变的单相流、多组份模型[2]。该模型假设汽、液混合物在膨胀过程中保持局部热力学平衡，即两相温度相同，并且相变过程十分迅速，因此湿蒸汽的性质可以直接由水蒸汽性质表获得。本文中水和水蒸汽的热力学性质满足IAPWS-IF97标准。
1.2 计算模型及边界条件
图1为本文所要研究的单级纯通流三维计算模型，含入口、一只静叶、两只动叶、出口，共四个区域。
为适应叶片复杂外形及流道空间拓扑结构的要求，本文计算域采用多块结构网格进行剖分[3]。叶片的近壁区采用O型网格，以提高叶片前缘、尾缘的网格质量；而远壁区采用H-J-C-L型网格，以提高流道中的网格质量。经网格无关性验证后，计算网格数为400万。
2 数值模拟结果
图2（a）、2（b）、2（c）分别显示了静叶和动叶区域内20%、50%、80%相对叶高处静压的分布云图。从图中可以看出，静压分布在各截面中相似。但是，随着截面高度增加，动叶出汽侧区域低压区域变大。
（c）80%相对叶高处
图2 静压分布
图3显示了50%相对叶高处的相对速度矢量图，可以看出未出现流动分离。图4显示了50%相对叶高处的相对马赫数，可以看出在静叶后部已是亚音速流动，在动叶后部已达超音速流动。
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（c）80%相对叶高处
图5 液态水的质量分数图
3 总结
研究叶栅内的流场特性对于提高机组的效率具有重要的理论意义和应用价值。本文基于三维粘性可压缩N-S方程，采用结构化六面体网格，运用有限体积法，构造了单级纯通流的三维计算模型，详细分析了透平级内流场的特性。研究发现，静压分布在各径向截面中相似，随着截面高度增加，动叶出汽侧区域低压区域变大。该工况下级内流动平稳，静叶后部已是亚音速流动，在动叶后部已达超音速流动。蒸汽在动叶通道中部有水珠产生，在动叶后部液态水的质量分数达最大值，动叶后部的蒸汽处于湿蒸汽区。
参考文献
[1]王福军.计算流体力学分析[M].北京:清华大学出版社,2004:122.
[2]杨建道,游玮,李亮,等.核电汽轮机低压缸中平衡和非平衡凝结流动的对比研究.热力透平,2013.3.
[3]屈焕成,张荻,蓝吉兵,等.汽轮机调节级三维复杂流动的数值研究.热科学与技术,2011.3.