CN114186441A - 一种汽轮机排汽结构气动特性数值分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种汽轮机排汽结构气动特性数值分析方法，本发明型能够精准对叶片尾迹与缸体相互间干涉作用下三维复杂掺混现象以及末级叶片顶部的超音速流动现象进行捕捉，使静压恢复系数与及末级的总‑总等熵效率的计算结果更加真实可靠。可获取不同通流流量与静压恢复系数所对应的函数关系式，为工程设计提供更精准的基础数据。本发明升温通用性较强，适用于多数计算流体动力学软件如CFX、NUMECA、FLUENT等。
Description
技术领域
本发明属于流动换热技术领域，具体涉及一种汽轮机排汽结构气动特性数值分析方法。
背景技术
汽轮机的经济性可以由各种损失与效率表征。通常情况下，对于汽轮机排汽结构而言，随着汽轮机主蒸汽温度、主蒸汽压力等运行参数的提升，汽轮机低压缸的排汽损失成为了影响汽轮机效率的重要因素。
在实际运行情况下，透平末级出口流场的旋流和不均匀总压分布会影响排汽系统内的流场及其气动性能。同时，非轴对称排汽系统也会在透平末级出口位置产生不均匀的压力场，影响透平叶栅内部流场和气动性能。因此，高性能的排汽系统设计应该考虑透平和排汽系统流场之间的相互作用。
在进行排汽系统设计时，确定静压恢复系数与及末级的总-总等熵效率是至关重要的。考虑到进行整机高温实际试验较为困难的前提，使用计算流体力学的方法来进行研究是高效且便捷的。现有的计算方法通常只采用周期性边界关注单体模型的特征，虽然能对给予一定的指导性意见，但单体模型计算缺乏对于全局关键现象，例如叶片尾迹与缸体相互间干涉作用下三维复杂掺混现象的捕捉。简化计算方式使得计算模型的边界条件在一定程度上与真实模型不符，模拟结果将产生不确定的计算误差。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种汽轮机排汽结构气动特性数值分析方法，该方法建立了全三维的计算模型，包括末级静叶、末级动叶、排汽缸体导流叶片及支撑板、低压排汽缸扩压段的计算域模型，因而能够精准对叶片尾迹与缸体相互间干涉作用下三维复杂掺混现象进行捕捉，使静压恢复系数与及末级的总-总等熵效率的计算结果更加真实可靠。
为了达到上述目的，本发明包括以下步骤：
S1，建立1:1实体尺寸的三维汽轮机排汽结构计算域模型，三维汽轮机排汽结构计算域模型包括末级静叶、末级动叶、排汽缸体导流叶片及支撑板、低压排汽缸扩压段的计算域模型；
S2，对三维汽轮机排汽结构计算域模型，进行网格刨分生成多块结构化网格；
S3，对三维汽轮机排汽结构计算域模型，依据物理实际条件进行边界条件设置并进行流动数值求解；
S4，对末级选用总-总等熵效率，对排汽缸选用静压恢复系数来表征，从而定量表征末级和排汽缸的整体气动性能；
S5，根据三维汽轮机排汽结构计算域模型和末级和排汽缸的整体气动性能，获取得不同通流流量与静压恢复系数所对应的函数关系式，捕捉末级叶片顶部的超音速流动现象，以及耦合模型动静尾迹干涉下的排汽缸的流场以及动静压力场的变化情况，对汽轮机末级及排汽缸的气动性能进行精准评估。
S1中，建立三维汽轮机排汽结构计算域模型的具体方法如下：
S11，建立末级静叶及动叶计算域模型，叶片数目依据实际设计进行选取，建模时依次从叶根至叶顶选取叶片特征截面，静叶采用尾缘积叠的规律进行径向拉伸建模，动叶采用形心积叠的规律进行径向拉伸建模，单体模型生成后进行周向旋转复制，形成最终的全周整圈计算模型；
S12，建立排汽缸体导流叶片及支撑板计算域模型，首先利用结构图完成导流叶片及支撑板的二维草图绘制，进而利用拉伸功能得到有径向厚度的三维模型，并通过旋转及布尔加减逻辑运算方式完成导流叶片及支撑板的模型建立，最后进行衔接处的过渡圆建立，并预留固壁表面边界层网格的厚度空间；
S13，建立低压排汽缸扩压段计算域模型，采用面扫掠添加脊线的方式生成渐扩型扩压段计算模型，脊线为光滑过渡的引导线，同时也在固壁表面预留边界层网格的厚度空间。
运用几何模型建立软件建立末级静叶及动叶计算域模型、排汽缸体导流叶片及支撑板计算域模型和低压排汽缸扩压段计算域模型。
S2的具体方法如下：
S21，将静叶及动叶的三维计算域模型进行网格刨分，静叶进口流道及叶片进出口延伸处的拓扑结构采用H-O-H结构化网格，静叶叶片表面采用O型拓扑贴体网格，分别进行周向、轴向及径向节点加密以保证后期数值求解；
S22，将汽缸体导流叶片及支撑板进行网格刨分，通过由顶至下的方式，生成多重拓扑块的结构网格；网格生成时，依次在结构体内生成族、材料点，并设置自然尺寸，在局部加密的地方细化网格参数，在近面近边界层处采用三棱柱边界层网格对近壁面处进行加密处理以保证网格的高质量，最后网格完成后进行光顺处理；
S23，将低压排汽缸扩压段计算域模型进行网格刨分，扩压段区域网格结构采用六面体结构，通过建立在Block拓扑模块并与几何边界关联映射，在拓扑边线处输入网格节点数目，最终生成膨胀比小于1.5，长宽比小于10，正交角度大于45度的优质六面体网格。
将静叶及动叶的三维计算域模型导入网格生成软件NUMECA AUTO GRID进行网格刨分；
将汽缸体导流叶片及支撑板导入网格生成软件ICEM进行网格刨分；
将低压排汽缸扩压段计算域模型导入网格生成软件ICEM进行网格刨分。
S3的具体方法如下：
S31，静叶主流进口设置总压、总温、湍流度边界条件，流动方向与进口面垂直；动叶出口设置出口平均静压边界条件；计算域分别设置静止域及旋转域，旋转域及旋转壁面根据实际转速情况设置旋转速度，动静交界区域数据传递方式为混合平面，其余固体壁面设置为均匀为绝热无滑移壁面；
S32，求解三维粘性可压缩非稳态流动传热控制方程组，并引入Boussinesq湍流模型假设使湍流计算雷诺时均Navier-Stokes方程组封闭，通过计算获取流体计算域压力、温度及流速的气动参数。
静止域包括整圈静叶、排汽缸体导流叶片及支撑板、低压排汽缸扩压段；旋转域包括动叶。
三维粘性可压缩非稳态流动传热控制方程组通用形式如下：
式中ρ是流体密度；
为通用变量，
能够代表u、v、w、T以及k和ε等求解变量；
为广义扩散系数；
为广义源项，其中
与
的表达式是在数值计算模型中基于特定变量给出的定义；
引入基于Boussinesq假设的湍动粘度，将雷诺应力表示成湍动粘度的函数，即：
式中，μt为湍动粘度，k为湍动能，δij为克罗内克符号。
S4中，总-总等熵效率的计算方法如下：
式中：ht,in为进口总焓；ht,out为出口总焓；ht,out,is为出口等熵焓；
静压恢复系数定义如下：
式中：pout为排气缸出口静压；pin为排气缸进口静压；pt,in为排气缸进口总压；
定义反动度：
其中h2s为动叶中的焓降，hs *为级的等熵滞止焓降。
与现有技术相比，本发明型能够精准对叶片尾迹与缸体相互间干涉作用下三维复杂掺混现象以及末级叶片顶部的超音速流动现象进行捕捉，使静压恢复系数与及末级的总-总等熵效率的计算结果更加真实可靠。可获取不同通流流量与静压恢复系数所对应的函数关系式，为工程设计提供更精准的基础数据。本发明升温通用性较强，适用于多数计算流体动力学软件如CFX、 NUMECA、FLUENT等。
附图说明
图1为本发明实施例的汽轮机排汽结构结构计算模型图；
图2本发明实施例的汽轮机排汽结构计算网格图；其中，(a)为静叶计算域的计算网格， (b)为动叶计算域的计算网格，(c)为静叶片表面网格，(d)为导流板及排汽缸体计算网格， (e)为导流叶片及撑板表面网格，(f)为排汽缸体及扩压段计算网格；
图3为本发明实施例的低压末级静叶出口面压力分布图；
图4为本发明实施例的低压末级动叶出口面压力分布图；
图5为本发明实施例的子午流道流场气动参数分布图；其中，(a)为末级子午面压力，(b) 为末级子午面绝对马赫数，(c)为末级子午面相对马赫数；
图6为本发明实施例的动叶进口气动参数沿叶高分布图；其中，(a)为轴向速度沿叶高分布，(b)为周向速度沿叶高分布，(c)为径向速度沿叶高分布；
图7为本发明实施例的低压排气缸内流线分布图；
图8为本发明的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
参见图1至图8，本发明包括以下步骤：
步骤1，参照通流结构根据几何图纸真实尺寸，通过三维建模软件建立1:1实体尺寸的三维汽轮机排汽结构计算域模型，包括末级静叶、末级动叶、排汽缸体导流叶片及支撑板、低压排汽缸扩压段的计算域模型，具体步骤如下：
步骤1-1：运用几何模型建立软件建立末级静叶及动叶计算模型，叶片数目依据实际设计进行选取，建模时依次从叶根至叶顶选取叶片特征截面，静叶采用尾缘积叠的规律进行径向拉伸建模，动叶采用形心积叠的规律进行径向拉伸建模，单体模型生成后进行周向旋转复制，形成最终的全周整圈计算模型；计算模型中包括整圈低压末级计算域(其中静叶60个、动叶96 个)。
步骤1-2：运用几何模型建立软件建立排汽缸体导流叶片及支撑板，首先利用结构图完成导流叶片及支撑板的二维草图绘制，进而利用拉伸功能得到有径向厚度的三维模型，并通过旋转及布尔加减逻辑运算方式完成导流叶片及支撑板的模型建立，最后进行衔接处的过渡圆建立，并预留固壁表面边界层网格的厚度空间。
步骤1-3：用几何模型建立软件建立低压排汽缸扩压段计算域模型，采用面扫掠添加脊线的方式生成渐扩型扩压段计算模型，脊线为光滑过渡的引导线，同时也在固壁表面预留边界层网格的厚度空间。
步骤2，将步骤1中得到三维汽轮机排汽结构计算域模型，进行网格刨分生成多块结构化网格，具体步骤如下：
步骤2-1：将静叶及动叶的三维计算域模型导入网格生成软件NUMECA AUTO GRID进行网格刨分，静叶进口流道及叶片进出口延伸处的拓扑结构采用H-O-H结构化网格，静叶叶片表面采用O型拓扑贴体网格，分别进行周向、轴向及径向节点加密以保证后期数值求解。
步骤2-1：将汽缸体导流叶片及支撑板导入网格生成软件ICEM进行网格刨分，通过由顶至下的“雕塑”方式，生成多重拓扑块的结构网格。网格生成时，依次在结构体内生成族、材料点，并设置自然尺寸，在局部加密的地方细化网格参数，在近面近边界层处采用三棱柱边界层网格对近壁面处进行加密处理以保证网格的高质量，最后网格完成后进行光顺处理。
步骤2-3：将低压排汽缸扩压段计算域模型导入网格生成软件ICEM进行网格刨分，扩压段区域网格结构采用六面体结构，通过建立在Block拓扑模块并与几何边界关联映射，在拓扑边线处输入网格节点数目，最终生成膨胀比小于1.5，长宽比小于10，正交角度大于45度的优质六面体网格。
步骤3，对汽轮机排汽结构计算域模型，依据物理实际条件进行边界条件设置并进行流动数值求解，具体步骤如下：
步骤3-1：静叶主流进口设置总压、总温、湍流度边界条件，流动方向与进口面垂直；动叶出口设置出口平均静压边界条件；计算域分别设置静止域及旋转域，静止域中包括，整圈静叶、排汽缸体导流叶片及支撑板、低压排汽缸扩压段，旋转域中主要包括动叶；旋转域及旋转壁面根据实际转速情况设置旋转速度3000r/min，动静交界区域数据传递方式为混合平面 (stage)，其余固体壁面设置为均匀为绝热无滑移壁面；表3-1-1给出了本实施例的详细计算边界条件。
表3-1-1计算边界条件
步骤3-2：求解三维粘性可压缩非稳态流动传热控制方程组，并引入Boussinesq湍流模型假设使湍流计算雷诺时均Navier-Stokes方程组封闭，通过计算获取流体计算域压力、温度及流速等重要气动参数；计算中对流项空间差分采用高精度混合格式当连续方程、动量方程、能量方程、湍流方程的均方根残差达到10-4各计算域进、出口流量不平衡率小于0.1％时，认为计算收敛。
其中三维粘性可压缩非稳态流动传热控制方程组通用形式如下：
式中ρ是流体密度；
为通用变量，可以代表u、v、w、T以及k和ε等求解变量；
为广义扩散系数；
为广义源项。其中
与
的表达式是在数值计算模型中基于特定变量给出的定义。
引入基于Boussinesq假设的湍动粘度，将雷诺应力表示成湍动粘度的函数，即：
式中，μt为湍动粘度，k为湍动能，δij为克罗内克符号。
步骤4：为了定量表征末级和排汽缸的整体气动性能，对末级选用总-总等熵效率，对排汽缸选用静压恢复系数来表征。总总等熵效率定义如下
式中：ht,in为进口总焓；ht,out为出口总焓；ht,out,is为出口等熵焓。
表4-1给出了本实施例的低压末级总总等熵效率计算结果：
表4-1低压末级总总等熵效率
静压恢复系数定义如下：
式中：pout为排气缸出口静压；pin为排气缸进口静压；pt,in为排气缸进口总压表4-2给出了本实施例的排汽缸静压恢复系数计算结果
表4-2排汽缸静压恢复系数计算结果
定义反动度：
其中h2s为动叶中的焓降，hs *为级的等熵滞止焓降。
表4-3给出了本实施例的反动度计算结果：
表4-3反动度计算结果
参见图3、图4，可以观察到，在静叶出口面处沿周向压力呈轴对称均匀分布；同时可以发现，压力沿着叶高方向逐渐增加，在动叶出口位置处，压力沿着周向呈不对称分布，这是受到下游不对称排汽缸结构的影响。
参见图5，从图中可以看出，在末级动叶片顶部出现了马赫数大于1的现象，即在末级动叶片顶部有超音速流；同时可以看出，在动叶片表面，压力沿着叶高方向有明显的变化。这种不均匀的压力分布会对末级后的排汽缸的静压恢复产生一定的影响。
参见图6，从图中可以看出，动叶进口轴向速度沿叶高方向逐渐减小；切向速度方向有所改变，这是由于叶片弯扭所引起的；径向速度的分布中，在上下靠近端壁处存在较大的径向速度，这是因为二次流所形成的通道涡在此处发生，从而引起较大的径向速度产生。
参见图7可以看出在导流叶片前缘处存在压力增高区域，这是由末级气流冲击在叶片前缘处所形成的；同时可以看出排气缸内的流动状况较为复杂。
步骤5：利用所建立的数值仿真计算模型，可获取得不同通流流量与静压恢复系数所对应的函数关系式，捕捉末级叶片顶部的超音速流动现象，以及耦合模型动静尾迹干涉下的排汽缸的流场以及动静压力场的变化情况，对汽轮机末级及排汽缸的气动性能进行精准评估。
Claims (9)
1.一种汽轮机排汽结构气动特性数值分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，建立1:1实体尺寸的三维汽轮机排汽结构计算域模型，三维汽轮机排汽结构计算域模型包括末级静叶、末级动叶、排汽缸体导流叶片及支撑板、低压排汽缸扩压段的计算域模型；
S2，对三维汽轮机排汽结构计算域模型，进行网格刨分生成多块结构化网格；
S3，对三维汽轮机排汽结构计算域模型，依据物理实际条件进行边界条件设置并进行流动数值求解；
S4，对末级选用总-总等熵效率，对排汽缸选用静压恢复系数来表征，从而定量表征末级和排汽缸的整体气动性能；
S5，根据三维汽轮机排汽结构计算域模型和末级和排汽缸的整体气动性能，获取得不同通流流量与静压恢复系数所对应的函数关系式，捕捉末级叶片顶部的超音速流动现象，以及耦合模型动静尾迹干涉下的排汽缸的流场以及动静压力场的变化情况，对汽轮机末级及排汽缸的气动性能进行精准评估。
2.根据权利要求1所述的一种汽轮机排汽结构气动特性数值分析方法，其特征在于，S1中，建立三维汽轮机排汽结构计算域模型的具体方法如下：
S11，建立末级静叶及动叶计算域模型，叶片数目依据实际设计进行选取，建模时依次从叶根至叶顶选取叶片特征截面，静叶采用尾缘积叠的规律进行径向拉伸建模，动叶采用形心积叠的规律进行径向拉伸建模，单体模型生成后进行周向旋转复制，形成最终的全周整圈计算模型；
S12，建立排汽缸体导流叶片及支撑板计算域模型，首先利用结构图完成导流叶片及支撑板的二维草图绘制，进而利用拉伸功能得到有径向厚度的三维模型，并通过旋转及布尔加减逻辑运算方式完成导流叶片及支撑板的模型建立，最后进行衔接处的过渡圆建立，并预留固壁表面边界层网格的厚度空间；
S13，建立低压排汽缸扩压段计算域模型，采用面扫掠添加脊线的方式生成渐扩型扩压段计算模型，脊线为光滑过渡的引导线，同时也在固壁表面预留边界层网格的厚度空间。
3.根据权利要求2所述的一种汽轮机排汽结构气动特性数值分析方法，其特征在于，运用几何模型建立软件建立末级静叶及动叶计算域模型、排汽缸体导流叶片及支撑板计算域模型和低压排汽缸扩压段计算域模型。
4.根据权利要求1所述的一种汽轮机排汽结构气动特性数值分析方法，其特征在于，S2的具体方法如下：
S21，将静叶及动叶的三维计算域模型进行网格刨分，静叶进口流道及叶片进出口延伸处的拓扑结构采用H-O-H结构化网格，静叶叶片表面采用O型拓扑贴体网格，分别进行周向、轴向及径向节点加密以保证后期数值求解；
S22，将汽缸体导流叶片及支撑板进行网格刨分，通过由顶至下的方式，生成多重拓扑块的结构网格；网格生成时，依次在结构体内生成族、材料点，并设置自然尺寸，在局部加密的地方细化网格参数，在近面近边界层处采用三棱柱边界层网格对近壁面处进行加密处理以保证网格的高质量，最后网格完成后进行光顺处理；
S23，将低压排汽缸扩压段计算域模型进行网格刨分，扩压段区域网格结构采用六面体结构，通过建立在Block拓扑模块并与几何边界关联映射，在拓扑边线处输入网格节点数目，最终生成膨胀比小于1.5，长宽比小于10，正交角度大于45度的优质六面体网格。
5.根据权利要求4所述的一种汽轮机排汽结构气动特性数值分析方法，其特征在于，将静叶及动叶的三维计算域模型导入网格生成软件NUMECA AUTO GRID进行网格刨分；
将汽缸体导流叶片及支撑板导入网格生成软件ICEM进行网格刨分；
将低压排汽缸扩压段计算域模型导入网格生成软件ICEM进行网格刨分。
6.根据权利要求1所述的一种汽轮机排汽结构气动特性数值分析方法，其特征在于，S3的具体方法如下：
S31，静叶主流进口设置总压、总温、湍流度边界条件，流动方向与进口面垂直；动叶出口设置出口平均静压边界条件；计算域分别设置静止域及旋转域，旋转域及旋转壁面根据实际转速情况设置旋转速度，动静交界区域数据传递方式为混合平面，其余固体壁面设置为均匀为绝热无滑移壁面；
S32，求解三维粘性可压缩非稳态流动传热控制方程组，并引入Boussinesq湍流模型假设使湍流计算雷诺时均Navier-Stokes方程组封闭，通过计算获取流体计算域压力、温度及流速的气动参数。
7.根据权利要求6所述的一种汽轮机排汽结构气动特性数值分析方法，其特征在于，静止域包括整圈静叶、排汽缸体导流叶片及支撑板、低压排汽缸扩压段；旋转域包括动叶。
8.根据权利要求6所述的一种汽轮机排汽结构气动特性数值分析方法，其特征在于，三维粘性可压缩非稳态流动传热控制方程组通用形式如下：
式中ρ是流体密度；
为通用变量，
能够代表u、v、w、T以及k和ε等求解变量；
为广义扩散系数；
为广义源项，其中
与
的表达式是在数值计算模型中基于特定变量给出的定义；
引入基于Boussinesq假设的湍动粘度，将雷诺应力表示成湍动粘度的函数，即：
式中，μt为湍动粘度，k为湍动能，δij为克罗内克符号。
9.根据权利要求1所述的一种汽轮机排汽结构气动特性数值分析方法，其特征在于，S4中，总-总等熵效率的计算方法如下：
式中：ht,in为进口总焓；ht,out为出口总焓；ht,out,is为出口等熵焓；
静压恢复系数定义如下：
式中：pout为排气缸出口静压；pin为排气缸进口静压；pt,in为排气缸进口总压；
定义反动度：
其中h2s为动叶中的焓降，
为级的等熵滞止焓降。
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