CN103244209A - 一种汽轮机单侧排汽系统扩压器端壁 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种汽轮机单侧排汽系统扩压器端壁，涉及汽轮机技术，端壁型面采用全三维造型，利用不同周向位置处各异的子午型线，生成非轴对称全三维扩压器端壁曲面。本发明的扩压器端壁结构作用有二：一是适应末级透平出口的实际流场分布，保证机组在实际运行环境下，排汽系统具有良好的扩压能力，降低透平出口背压，增加透平出功，提高机组热效率；二是适应单侧径向排汽的排汽蜗壳，削弱单侧径向排汽系统内流动的周向不均匀程度，降低末级透平叶片负荷及气动力在一周内的波动，提高机组运行安全。本发明的扩压器端壁结构形式适用于所有单侧径向排汽的汽轮机排汽系统内的扩压器。

Description

一种汽轮机单侧排汽系统扩压器端壁
技术领域
本发明涉及汽轮机技术领域，是一种汽轮机单侧排汽系统扩压器端壁。
背景技术
大功率蒸汽轮机的单侧径向排汽系统，作为流道末端的通流部件，用于回收末级透平出口的余速动能，在给定的排汽系统出口压力的情况下降低透平的背压，增加透平的出功，提高机组的热效率。单侧径向排汽时，汽流从透平出口到排汽系统出口之间有大约90°的折转，从而在透平出口截面产生非轴对称流场，使得透平叶片在不同的周向位置感受到不同的背压。同时，透平出口截面的流场分布也会影响排汽系统内部流场，使排汽系统扩压器出现流动分离，降低甚至完全丧失了其对末级透平出口余速动能的回收能力，使透平背压或排汽系统入口压力接近甚至高于排汽系统出口压力，减少了透平出功，降低了机组热效率。透平叶片排与排汽系统之间的强气动相互作用，对透平叶片的运行安全以及机组的热效率都会产生重要影响。以往的扩压器端壁设计中，不考虑透平与排汽系统间的气动相互作用，由一条型线绕轴向旋转而形成轴对称扩压器，得到的排汽系统在实际环境中的气动性能与设计值相差较大。
发明内容
本发明的目的是公开一种汽轮机单侧排汽系统扩压器端壁，有别于现有扩压器端壁的设计思路和结构形式，其结构形式为全三维设计，可提高汽轮机机组热效率，使透平叶片运行安全，适用于单侧径向排汽的汽轮机排汽系统内扩压器。
为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：
一种汽轮机单侧排汽系统扩压器端壁，其为非轴对称全三维的端壁型面，由多条子午型线控制生成；子午型线取为一段圆弧线，其结构参数包括圆弧轴向长度L，圆弧曲率半径R和圆弧起点位置处切向角度α；每条型线起点位置处的切线与轴线的角度α、型线的曲率半径R及轴向长度L不一定相同，为一自由曲面。
所述的扩压器端壁，其所述子午型线，由透平出口流场来确定，是在实际透平出口流场条件下，以分别表征排气系统扩压能力和透平出口背压周向不均匀程度的性能参数：压力恢复系数和静压周向不均匀系数为优化目标，对n个周向位置处的子午型线结构参数α，R和L进行多目标优化，选择使压力恢复系数最大，同时静压周向不均匀系数最小的子午型线结构参数组合。
所述的扩压器端壁，其所述静压周向不均匀系数最小，即排气系统气动性能达到最优。
所述的扩压器端壁，其所述n，为子午型线的个数，n≥1的整数，根据实际设计条件自由决定。
本发明的优点在于：
一、适应末级透平出口的实际流场分布，保证机组在实际运行环境下，排汽系统具有良好的扩压能力，降低透平出口背压，增加透平出功，提高机组热效率。
二、适应单侧径向排汽的排汽蜗壳，削弱单侧径向排汽系统内流动的周向不均匀程度，降低末级透平叶片负荷及气动力在一周内的波动，提高机组运行安全。
附图说明
图1为汽轮机单侧排汽系统扩压器外环端壁型线结构参数示意图；
图2为本发明的一种汽轮机单侧排汽系统扩压器端壁全三维设计示意图；其中：
图2a.为不同周向位置的子午型线；
图2b.为全三维设计扩压器外环端壁；
图3a为现有汽轮机轴对称扩压器端壁示意图；
图3b为本发明的一种汽轮机单侧排汽系统扩压器端壁示意图，该扩压器子午型线的个数n根据发明者计算环境所限选择为2，优化的子午型线周向位置分别位于0°和±90°处，其中+90°～-90°处(即扩压器下半部)型线结构相同；
图4为在透平出口流场影响下，排汽系统进、出口位置平均压力对比图；其中：斜线为带传统扩压器排气系统，直线为带非轴对称扩压器排气系统；
图5为在透平出口流场影响下，扩压器入口(透平出口)位置径向平均压力系数沿周向分布图；其中：上面线条为带传统扩压器排气系统，下面线条为带非轴对称扩压器排气系统；
图6a为带轴对称扩压器的排汽系统顶部子午面流线图；
图6b为带本发明非轴对称全三维扩压器的排汽系统顶部子午面流线图。
具体实施方式
本发明的一种汽轮机单侧排汽系统扩压器端壁，是基于对透平叶片排与单侧径向排汽系统间的强气动相互作用，提出了一种新的设计思路和结构形式。该设计方法提出对汽轮机排汽系统内的扩压器端壁进行全三维设计。设计中，根据实际的透平出口流场，在不同的周向位置处采用不同的子午型线(见图2a)，将各处的型线沿周向进行光滑插值，形成扩压器端壁型面(见图2b)。这种设计方法，在实际运行环境下，既能保证排汽系统具有良好的扩压能力，降低透平出口背压(见表1及图4)，增加透平出功，提高机组热效率；又能减小单侧径向排汽系统内流场的非轴对称程度(见表1及图5)，降低叶片表面的气动力沿周向变化程度，进而提高叶片和机组的运行安全。
本发明的一种汽轮机单侧排汽系统扩压器端壁，为非轴对称全三维的端壁型面，由多条子午型线控制生成。子午型线取为一段圆弧线，其结构参数由圆弧轴向长度L，圆弧曲率半径R和圆弧起点位置处切向角度α组成，如图1所示。每条型线起点位置处的切线与轴线的角度a、型线的曲率半径R及轴向长度L不一定相同，为一自由曲面。
本发明对汽轮机单侧径向排汽系统内的扩压器端壁进行全三维设计，
具体实施方式如下：
(1)在真实流动条件下，根据实际的透平出口截面流场，考虑到排汽系统的扩压性能和流场的周向不均匀性，在不同的周向位置处分别选取最优的几何结构参数，得到各个周向位置处扩压器端壁子午型线(见图2a)。
(2)将各周向位置处的型线沿周向进行光滑插值，形成全三维扩压器端壁型面曲面(见图2b)。
本发明的一种汽轮机单侧排汽系统扩压器端壁(如图3b所示)与现有汽轮机轴对称扩压器端壁(如图3a所示)相比，其不同十分明显。
一，扩压器端壁型面由多条子午型线控制生成，每条型线起点位置处的切线与轴线的角度、型线的曲率半径以及轴向长度不一定相同，因此扩压器端壁型面为一自由曲面而不再保持轴对称(见图2b)；
二，扩压器端壁不同周向位置采用不同的子午型线，有利于适应于单侧径向排汽系统蜗壳的非轴对称结构，削弱由于单侧径向排汽造成的末级透平出口截面背压的非轴对称程度(见表1、图4及图5)以及因此引起的动叶片表面的低频气动力；
三，扩压器端壁不同周向位置子午型线的选取考虑到排汽系统入口截面由末级透平产生的入口旋流效应，有利于在实际运行工况下减小扩压器内的流动分离(见图6)，有效降低透平出口背压(见表1)，提高机组效率。
表1.在透平出口流场影响下排汽系统气动性能比较
Figure BDA0000134028130000041

Claims (4)

1.一种汽轮机单侧排汽系统扩压器端壁，其特征在于，为非轴对称全三维的端壁型面，由多条子午型线控制生成；子午型线取为一段圆弧线，其结构参数包括圆弧轴向长度L，圆弧曲率半径R和圆弧起点位置处切向角度α；每条型线起点位置处的切线与轴线的角度α、型线的曲率半径R及轴向长度L不一定相同，为一自由曲面。
2.如权利要求1所述的扩压器端壁，其特征在于，所述子午型线，由透平出口流场来确定，是在实际透平出口流场条件下，以分别表征排气系统扩压能力和透平出口背压周向不均匀程度的性能参数：压力恢复系数和静压周向不均匀系数为优化目标，对n个周向位置处的子午型线结构参数α，R和L进行多目标优化，选择使压力恢复系数最大，同时静压周向不均匀系数最小的子午型线结构参数组合。
3.如权利要求2所述的扩压器端壁，其特征在于，所述静压周向不均匀系数最小，即排气系统气动性能达到最优。
4.如权利要求2所述的扩压器端壁，其特征在于，所述n，为子午型线的个数，n≥1的整数，根据实际设计条件自由决定。
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