CN110020489A - 基于cfd分析确定汽轮机叶片防蚀片形状尺寸的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供基于CFD分析确定汽轮机叶片防蚀片形状尺寸的方法，属于汽轮机技术领域。本发明首先进行包括建模与网格划分的前处理：基于低压缸通流图建立末级几何模型，将建立的末级几何模型导入网格划分软件进行结构化网格的划分；然后利用求解器进行求解，得到收敛到稳定的模型；最后进行结果分析：应用后处理POST软件，观察末级叶片的流动情况，结合末级叶片表面、子午面的马赫数云图，以及末级动叶片表面的湿度分布来综合确定末级叶片应安装的防蚀片形状、尺寸。本发明解决了现有汽轮机叶片防蚀片形状尺寸确定主要依靠经验，形状尺寸确定不够精准，导致防蚀效果较差的问题。本发明可用于汽轮机末级动叶片防蚀片的设计。
Description
技术领域
本发明涉及确定汽轮机叶片防蚀片形状尺寸的方法，属于汽轮机技术领域。
背景技术
随着火电机组灵活性的不断增强，多工况、回热、供热等运行方案将会成为电厂汽轮机发电的趋势，末级叶片的水蚀情况也趋于严重，目前针对湿度较大的末级叶片，主要的防护措施是在动叶片上镶嵌司太立合金的防蚀片。但是对于防蚀片的形状、大小及在末级动叶片的镶嵌位置的确定，主要是依靠工程师经验。有些汽轮机的运行工况与以往存在很大差别，这造成工程师的经验失效，导致叶片因水蚀结垢甚至断裂。
发明内容
本发明为解决现有汽轮机叶片防蚀片形状尺寸确定主要依靠经验，形状尺寸确定不够精准，导致防蚀效果较差的问题，提供了基于CFD分析确定汽轮机叶片防蚀片形状尺寸的方法。
本发明所述基于CFD分析确定汽轮机叶片防蚀片形状尺寸的方法，通过以下技术方案实现：
(1)进行包括建模与网格划分的前处理：
首先基于低压缸通流图建立末级几何模型，然后将建立的末级几何模型导入网格划分软件进行结构化网格的划分；
(2)利用求解器进行求解：
将叶片的网格文件导入ANSYS CFX软件中，进行模型设置、参数设置，ANSYS CFX是一款CFD软件；采用ANSYS CFX自带的求解器，对求解器设置离散格式、收敛因子后进行迭代求解计算；得到收敛到稳定的模型；
(3)进行结果分析：
应用ANSYS CFX自带的后处理POST软件，观察末级叶片的流动情况，结合末级叶片表面、子午面的马赫数云图，以及末级动叶片表面的湿度分布来综合确定末级叶片应安装的防蚀片形状、尺寸。
本发明最为突出的特点和显著的有益效果是：
本发明所涉及的基于CFD分析确定汽轮机叶片防蚀片形状尺寸的方法，基于CFD分析能够为汽轮机组的末级叶片提供简洁精准有效的防蚀片设计。发明效果具体如下：
1.确定的形状尺寸非常精准，防蚀效果提升2倍。
2.提高了效率。利用CFD计算分析，选出最佳设计，相比依靠工程师经验人工确定，省时省力，大大提高了工作效率，具有较好的应用前景和经济价值。
3.增加了安全性。可以有效减少低压末级动叶片因水蚀结垢导致的断裂，提高了安全性。
4.降低了成本。采用本发明效率大大提高，从而降低了生产成本，同时减少了质量事故成本。
附图说明
图1为本发明流程图；
图2为本发明实施例中末级静叶片实体图；
图3为本发明实施例中末级动叶片实体图；
图4为本发明实施例中末级静叶片网格划分示意图；
图5为本发明实施例中末级叶片根截面的马赫数云图；Mach Number表示马赫数；
图6为本发明实施例中末级叶片中截面的马赫数云图；
图7为本发明实施例中末级叶片顶截面的马赫数云图；
图8为本发明实施例中动叶进口速度沿叶高分布图；Span Normalized表示相对叶高；Velocity ACA on Hub to Shroud Line表示叶根到叶顶的速度分布；
图9为本发明实施例中动叶中截面表面压力分布图；Pressure表示压力，Streamwise表示流向；
图10为本发明实施例中子午面速度云图；Velocity表示速度；
图11为本发明实施例中动叶片表面液体质量浓度图；Steam3I.MassConcentration Contour表示液体质量浓度；
图12为本发明实施例中动叶进口气流角沿叶高分布图；Velocity in Stn FrameFlow Angle ACA on Hub to Shroud Line表示叶根到叶顶的进口绝对气流角，degree表示角度；
图13为本发明实施例中动叶沿叶高分布的液体浓度图；Steam3I.MassConcentration ACA on Hub to Shroud Line表示表示叶根到叶顶的液体质量浓度；
图14为本发明实施例中动叶片需要安装防蚀片的位置示意图；
图15为本发明实施例中防蚀片镶嵌位置局部放大示意图；
图16为本发明实施例中防蚀片剖面示意图；
图17为本发明实施例中采用典型的截面镶嵌防蚀片后的示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1对本实施方式进行说明，本实施方式给出的基于CFD分析确定汽轮机叶片防蚀片形状尺寸的方法，具体包括以下步骤：
(1)进行包括数值建模与网格划分的前处理：
首先基于低压缸通流图建立末级几何模型，然后将建立的末级几何模型导入网格划分软件进行结构化网格的划分；
(2)利用求解器进行求解：
将叶片的网格文件导入ANSYS CFX软件中，进行模型设置(包括能量方程、湍流模型等)、参数设置(包括工质、边界条件等)，ANSYS CFX是一款CFD软件；采用ANSYS CFX自带的求解器，对求解器设置离散格式、收敛因子后进行迭代求解计算；得到收敛到稳定的模型；
(3)进行结果分析的后处理部分：
应用ANSYS CFX自带的后处理POST软件，观察末级叶片的流动情况，结合末级叶片表面、子午面的马赫数云图，以及末级动叶片表面的湿度分布来综合确定末级叶片应安装的防蚀片形状、尺寸。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是，步骤(1)中所述建立末级几何模型的具体过程为：
基于低压缸通流图准备叶片数据，对末级静叶片的根、动叶片的根、顶扩张角采用UG做出所需模型，完成末级几何模型的建立。
其他步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二不同的是，步骤(1)中所述结构化网格的划分过程具体包括：
将建立的末级几何模型导入网格划分软件，进行结构化网格的划分，对叶片进、出汽圆弧段的网格进行加密，通常网格密度增加一倍左右；划分后，从正交性和网格单元的长宽比两个指标来检查网格的质量。
其他步骤及参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式三不同的是，所述网格划分软件采用CFX自带的叶片网格划分软件Turbogrid。
其他步骤及参数与具体实施方式撒相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四不同的是，步骤(3)中所述末级叶片应安装的防蚀片形状、尺寸的具体确定过程为：
通过末级叶片表面、子午面的马赫数云图定性的分析末级叶片的S1流面的流动情况，使防蚀片的形状符合蒸汽来流角度；叶片在不同角度的来流条件下影响叶片的内流道的气动参数分布，故安装防蚀片的形状应符合蒸汽来流角度；
结合末级动叶片表面的湿度分布(包括动叶进口速度沿叶高分布、动叶压力分布、子午面速度云图、动叶片表面液体质量浓度、动叶进口气流角沿叶高分布、动叶沿叶高分布的液体浓度)，确保末级动叶片表面湿度高于阈值的部分均被防蚀片覆盖，从而得到末级叶片应安装的防蚀片形状、尺寸以及具体安装的位置。
其他步骤及参数与具体实施方式一至四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式五不同的是，所述防蚀片为司太立合金片，司太立(Stellite)合金具有能耐各种类型磨损、腐蚀以及高温氧化的优点。
其他步骤及参数与具体实施方式五相同。
实施例
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
以某机组末级叶片为例。
(1)前处理：应用UG建立叶片的末级几何模型，如图2为通过UG生成的末级静叶片实体图，图3为通过UG生成的末级动叶片实体图；导入Turbogrid进行结构化网格的划分(如图4所示)，进、出汽圆弧区域的网格密度增加一倍；然后检查网格质量，满足正交性和单元网格长宽比的两个重要指标(是否满足指标，Turbogrid能够自动进行判定)；
(2)求解：将叶片的网格文件导入ANSYS CFX软件中，选择Total Energy的壁面模型及k-Epsilon的湍流模型，采用IFAWS-97里的湿蒸汽工质，进口给定总压、总焓的边界条件；出口给定静压的边界条件。采用ANSYS CFX自带的求解器，求解器需设置离散格式、收敛因子及迭代的步数、残差等。
(3)后处理：通过图5、图6、图7定性的分析末级叶片的S1流面的流动情况，使防蚀片的形状符合蒸汽来流角度；结合末级动叶片表面的湿度分布(图8～图13)，确保末级动叶片表面湿度高于阈值的部分均被防蚀片覆盖，从而得到末级叶片应安装的防蚀片形状和尺寸。
如图14～15是最终得到的需要安装防蚀片的位置和尺寸示意图，图16是防蚀片的剖面示意图，图17是采用典型的截面镶嵌防蚀片后的示意图(注意，嵌焊后需要修磨，并与叶片型面接平)。
本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (6)
1.基于CFD分析确定汽轮机叶片防蚀片形状尺寸的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
(1)进行包括建模与网格划分的前处理：
首先基于低压缸通流图建立末级几何模型，然后将建立的末级几何模型导入网格划分软件进行结构化网格的划分；
(2)利用求解器进行求解：
将叶片的网格文件导入ANSYS CFX软件中，进行模型设置、参数设置，ANSYS CFX是一款CFD软件；采用ANSYS CFX自带的求解器，对求解器设置离散格式、收敛因子后进行迭代求解计算；得到收敛到稳定的模型；
(3)进行结果分析：
应用ANSYS CFX自带的后处理POST软件，观察末级叶片的流动情况，结合末级叶片表面、子午面的马赫数云图，以及末级动叶片表面的湿度分布来综合确定末级叶片应安装的防蚀片形状、尺寸。
2.根据权利要求1所述基于CFD分析确定汽轮机叶片防蚀片形状尺寸的方法，其特征在于，步骤(1)中所述建立末级几何模型的具体过程为：
基于低压缸通流图准备叶片数据，对末级静叶片的根、动叶片的根、顶扩张角采用UG做出所需模型，完成末级几何模型的建立。
3.根据权利要求2所述基于CFD分析确定汽轮机叶片防蚀片形状尺寸的方法，其特征在于，步骤(1)中所述结构化网格的划分过程具体包括：
将建立的末级几何模型导入网格划分软件，进行结构化网格的划分，对叶片进、出汽圆弧段的网格进行加密。
4.根据权利要求3所述基于CFD分析确定汽轮机叶片防蚀片形状尺寸的方法，其特征在于，所述网格划分软件采用Turbogrid。
5.根据权利要求1～4任意一项所述基于CFD分析确定汽轮机叶片防蚀片形状尺寸的方法，其特征在于，步骤(3)中所述末级叶片应安装的防蚀片形状、尺寸的具体确定过程为：
通过末级叶片表面、子午面的马赫数云图定性的分析末级叶片的S1流面的流动情况，使防蚀片的形状符合蒸汽来流角度；
结合末级动叶片表面的湿度分布，确保末级动叶片表面湿度高于阈值的部分均被防蚀片覆盖，从而得到末级叶片应安装的防蚀片形状和尺寸。
6.根据权利要求5所述基于CFD分析确定汽轮机叶片防蚀片形状尺寸的方法，其特征在于，所述防蚀片为司太立合金片。
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