CN110863861A - 提高汽轮机通流效率的多级小焓降叶片气动设计方法 - Google Patents

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潘春雨
刘云锋
王健
赵洪羽
马天吟
刘瑶
高铁印
关淳
徐林峰
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Abstract

提高汽轮机通流效率的多级小焓降叶片气动设计方法，涉及一种汽轮机叶片气动热力设计方法。本发明为了解决进一步提升汽轮机通流效率的问题。本发明首先利用热力设计工具，计算得到不同根径下，缸效率随级数的变化关系；根据计算得到的缸效率随根径、级数的变化曲线，确定最佳级数和最优根径；然后进行叶片准三维气动设计，包括进行S1流面叶型造型设计和S2流面控制涡方法的径向匹配设计；最后进行复合弯掠3D叶片优化设计。本发明适用于汽轮机叶片气动热力设计。

Description

提高汽轮机通流效率的多级小焓降叶片气动设计方法
技术领域
本发明涉及一种汽轮机叶片气动热力设计方法，属于汽轮机通流设计技术领域。
背景技术
近年来，受电力消费需求放缓、非化石能源发电量高速增长等因素影响，火电市场受到明显挤压，火电设备制造业市场竞争日趋激烈。
作为发电机组运行的核心指标，汽轮机通流效率直接影响发电机组的经济性，提高汽轮机通流效率对发电设备市场竞争力及电厂整体收益的提升意义重大。
以往提高汽轮机通流效率、降低流动损失的工作主要集中在叶片的准三维和全三维气动设计领域；而在一维气动热力设计过程中，受制于对流动本质的认识和计算工具的限制，主要根据设计经验和结构设计的限制，人为指定叶片根径，进而确定透平级数及焓降分配。
发明内容
本发明为了解决进一步提升汽轮机通流效率的问题。本发明提供一种能够提高汽轮机通流效率的多级小焓降叶片气动设计方法，即本发明能够给出缸效率最优对应的级数和根径，同时给出气动性能优良的三维叶片，从而有效提升汽轮机通流效率。
提高汽轮机通流效率的多级小焓降叶片气动设计方法，包括以下步骤：
W1.利用热力设计工具，计算得到不同根径下，缸效率随级数的变化关系；
W2.根据计算得到的缸效率随根径、级数的变化曲线，确定最佳级数和最优根径；
W3.进行叶片准三维气动设计，包括进行S1流面叶型造型设计和S2流面控制涡方法的径向匹配设计；
W4.进行复合弯掠3D叶片优化设计。
本发明将聚焦汽轮机通流一维气动热力设计，提出一种基于多级小焓降设计思想的汽轮机叶片气动热力设计方法，以提升汽轮机通流效率。本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
(一)提升透平做功能力
对于多级透平，前一级透平的能量损失可以提高下一级的入口温度，使得下一级透平等熵焓降略有增加，整个汽缸内透平做功能力提升。
学界用重热系数衡量该等熵焓降的增量，重热系数越大，等熵焓降增加越多，透平做功能力提升越多；而重热系数与透平级数直接相关，透平级数越多，重热系数越大。
本发明提出的汽轮机叶片气动热力设计方法，能够显著增加透平级数，提高重热系数，进而提升汽轮机组透平做功能力。
(二)降低叶片流动损失
本发明提出的汽轮机叶片气动热力设计方法能够显著增加透平级数。由于透平级数增加，首先每级透平承担的焓降减小，流过叶栅的流速降低，使得叶型损失降低；其次在流量相同的条件下，级数增加后，流速降低，需要更大的通流面积，结合降低根径的措施后，叶片长度将会显著增加，叶片的展弦比提高，叶栅中二次流动区域占整个流动区域的比例减小，使得叶片二次流损失减小；最后采用多级方案时，与原方案相比汽封间隙相同，而叶片长度显著增加，汽封漏汽面积占整个通流面积的比例减小，因而汽封漏气损失下降。
叶型损失、二次流损失、漏气损失都降低，因此叶片流动损失下降。
选取利用本发明提出方法设计的高压缸典型级(第15级)静叶叶栅和利用传统方法设计的高压缸典型级静叶叶栅进行了环形叶栅风洞试验，两种试验叶栅出口全局总压损失系数随进口攻角变化情况参见附图1(a)、附图1(b)。
根据附图1，在-10°，0°，+10°攻角条件下，利用本发明方法设计的静叶叶栅出口全局总压损失系数分别为0.0370，0.0371和0.0383，比利用传统方法设计的叶栅全局总压损失系数分别降低了19.9％，21.7％和27.2％，有效降低了叶片流动损失。
(三)提升汽轮机组缸效率
本发明提出的汽轮机叶片气动热力设计方法，有效降低叶栅流动损失的同时，采用了控制涡设计、复合弯掠叶片造型、叶片3D优化等先进的准三维和全三维叶片气动设计方法，因而可以显著提升汽轮机缸效率。
利用本发明方法设计的哈汽公司1000MW超超临界汽轮机已有2台机组运行于神华国华九江发电有限责任公司，神华国华产品性能验收试验显示：在机组额定工况下，1#和2#机组的高压缸效率分别达到90.46％和90.62％，高压缸效率比传统设计提升约1.5％，达到了国际先进水平。
附图说明
图1为叶栅出口全局总压损失系数随来流攻角的变化曲线图，其中图1(a)为本发明设计的高压缸第15级静叶叶栅对应的出口全局总压损失系数随来流攻角的变化曲线图，图1(b)为哈汽公司原有技术设计静叶叶栅对应的出口全局总压损失系数随来流攻角的变化曲线图；图1(a)和图1(b)中的纵坐标Cpt为全局总压损失系数，横坐标Inc为气流入口攻角；
图2为采用不同的根径时效率随着级数的变化曲线图；图中纵坐标为通流效率，横坐标为透平级数，图中每条曲线分别对应一个根径，箭头方向为叶根半径减小的方向；
图3为通流设计10级和15级两种方案流动损失的变化图；图中从左到右损失类型分别为静叶叶型损失，静叶二次流损失，静叶叶根泄漏损失，动叶叶型损失、动叶二次流损失、动叶叶顶泄漏损失；
图4为控制涡与自由涡的反动度沿叶高分布图；图中纵坐标为相对叶高，横坐标为反动度，三角形符号为控制涡方法，四边形符号为自由涡方法。
具体实施方式
具体实施方式一：
本实施方式为提高汽轮机通流效率的多级小焓降叶片气动设计方法，包括以下步骤：
W1.利用热力设计工具计算得到不同根径下，缸效率随级数的变化关系；
可以采用各公司开发的热力设计工具进行计算，本发明采用哈尔滨汽轮机厂有限责任公司(下面简称哈汽公司)自主开发的汽轮机通流一维热力计算工具，该工具包含哈汽公司叶栅实验损失数据库，AMDCKO、Denton等高精度损失模型，可准确分析叶型损失、二次流损失、叶尖泄漏损失等流动损失随级数、根径、叶高、反动度等设计参数的变化关系。利用该工具计算得到不同根径下，缸效率随级数的变化关系，附图2为计算得到的哈汽公司1000MW超超临界汽轮机组高压缸在不同根径下，效率随级数的变化曲线。
W2.根据计算得到的缸效率随根径、级数的变化曲线，综合考虑缸效率、轴系稳定性、成本控制等因素，确定最佳级数和最优根径；
经过研究发现：级数增加，根径减小，缸效率增加。在实际的工程设计中，并不是级数越多(根径越低)越好，而是要综合各方面的因素进行现实的考量。如附图2中虚线所示，随着根径的降低，获得最高效率的最佳级数逐渐增加，但是最高效率的增长率却在逐渐下降，可见随着级数增加，多级小焓降叶片设计思想对缸效率的积极影响在逐渐削弱。
考虑到轴系的稳定性以及成本的控制，当级数增加至15级时，继续增加级数、降低根径的现实意义已经不大了，因此确定缸效率最优对应的最佳级数为15级。
附图3为哈汽公司1000MW超超临界汽轮机组高压缸通流设计采用10级(传统方法得出)和15级(本发明提出方法得出)两种方案的流动损失对比情况，采用多级小焓降气动热力设计方法后，叶型损失、二次流损失、叶尖泄漏损失均出现下降。
W3.进行叶片准三维气动设计，包括进行S1流面叶型造型设计和S2流面控制涡方法的径向匹配设计；
S1流面叶型造型设计利用哈汽公司开发的二维叶型造型工具，该工具基于非均匀有理样条(NURBS)曲线进行叶型压力面和吸力面造型设计；S2流面参数径向匹配设计过程利用哈汽公司开发的S2流面反问题设计工具，该工具采用控制涡的设计方法，附图4给出了分别采用控制涡与自由涡两种流型得到的某级叶片反动度沿叶高的分布情况，可见控制涡设计方法得到的反动度沿径向分布更加均匀，有利于提升级效率。
W4.进行复合弯掠3D叶片优化设计；
对叶型积叠线参数化处理，可形成复合弯掠3D叶片，同时引入多岛遗传、自适应模拟退火等优化算法，基于效率最优对叶片进行3D优化设计。

Claims (7)

1.提高汽轮机通流效率的多级小焓降叶片气动设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
W1.利用热力设计工具，计算得到不同根径下，缸效率随级数的变化关系；
W2.根据计算得到的缸效率随根径、级数的变化曲线，确定最佳级数和最优根径；
W3.进行叶片准三维气动设计，包括进行S1流面叶型造型设计和S2流面控制涡方法的径向匹配设计；
W4.进行复合弯掠3D叶片优化设计。
2.根据权利要求1所述提高汽轮机通流效率的多级小焓降叶片气动设计方法，其特征在于，步骤W2所述确定最佳级数和最优根径的过程中，综合考虑缸效率、轴系稳定性、成本控制因素,确定最佳级数和最优根径。
3.根据权利要求2所述提高汽轮机通流效率的多级小焓降叶片气动设计方法，其特征在于，所述最佳级数为15级。
4.根据权利要求1、2或3所述提高汽轮机通流效率的多级小焓降叶片气动设计方法，其特征在于，步骤W1所述热力设计工具为哈尔滨汽轮机厂有限责任公司开发的汽轮机通流一维热力计算工具，该工具包含哈尔滨汽轮机厂有限责任公司叶栅实验损失数据库，AMDCKO、Denton高精度损失模型，能够准确分析叶型损失、二次流损失、叶尖泄漏损失随级数、根径、叶高、反动度设计参数的变化关系。
5.根据权利要求4所述提高汽轮机通流效率的多级小焓降叶片气动设计方法，其特征在于，所述S1流面叶型造型设计利用哈尔滨汽轮机厂有限责任公司开发的二维叶型造型工具，该工具基于非均匀有理样条曲线进行叶型压力面和吸力面造型设计。
6.根据权利要求5所述提高汽轮机通流效率的多级小焓降叶片气动设计方法，其特征在于，所述S2流面参数径向匹配设计过程利用哈尔滨汽轮机厂有限责任公司开发的S2流面反问题设计工具。
7.根据权利要求1、2或3所述提高汽轮机通流效率的多级小焓降叶片气动设计方法，步骤W4所述进行复合弯掠3D叶片优化设计的过程中采用多岛遗传或自适应模拟退火优化算法对叶片进行3D寻优。
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