[发明专利]一种工业汽轮机排汽系统优化方法

说明书

本发明公开了一种工业汽轮排汽系统优化方法。该方法基于SiPESC.OPT集成软件平台，集成建模、网格划分、数值计算，结果提取、优化算法等多个软件构建了透平低压排汽缸优化设计系统。该优化方法，实现排汽缸的参数化建模；通过计算低压级组的气动性能，得到更真实的排汽缸进口的汽流参数；采用合适的湍流模型，求解N‑S偏微分方程，对排汽缸进行三维数值模拟，得到排汽缸内部详细的流动状况和气动性能；通过优化算法来实现排汽缸扩压器的优化迭代，直至全局收敛。采用本发明优化设计的排汽缸，可以提高排汽缸的气动性能进而提高工业汽轮机的整机效率。

技术领域

本发明涉及一种工业汽轮机，尤其是针对汽轮机排汽缸的排汽优化方法。

背景技术

提高汽轮机经济性可以从下列的两个方面中改进。一是通过提高新蒸汽的参数，例如提高压力、温度，来改善汽轮机热力过程，增大单个机组的做功能力，如超临界以及超超临界汽轮机；第二个途径是优化汽轮机结构，比如进汽阀、各级叶片和排汽缸等通流部件，来提高汽轮机的通流能力、热效率，从而提高整个机组的效率。

凝汽式汽轮机中，低压排汽缸主要包括扩压器和蜗壳，排汽缸连接汽轮机末级动叶和冷凝器。排汽缸的作用是将汽轮机末级叶片出口的余速动能变成压力能，同将湿蒸汽从末级叶片导流到冷凝器中。汽轮机末级余速动能为45KJ/kg～60KJ/kg，排汽损失比较大，排汽缸能量损失降低0.1，可使汽轮机整机效率提高0.15％左右。降低低压排汽缸损失系数可以有效提高机组效率，带来可观的经济效益。

排汽缸内部流动复杂，呈三维、粘性、非定常流动，受到上游叶片出口速度分布的影响，准确预测排汽缸的性能较为困难。一般，排汽缸的优化设计，将扩压器作为二维处理，没有考虑到切向流动。如何准确预测排汽缸的气动性能，通过控制扩压器的结构，三维优化排汽缸的气动性能，是一个具有现实意义的课题。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种相对于现有技术更准确，优化速度较快的优化工业汽轮机排汽系统气动性能的方法。

一种工业汽轮机排汽系统的优化方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1、设叶轮机械内部流动服从N-S方程，考虑粘性和间隙泄露等实际的影响，将排汽缸扩压器部分进行三维结构特征参数化；以便后期调用宏文件修改排汽缸扩压器的结构。根据排汽缸加工制造限制，和排气缸的强度和刚度要求，确定好扩压器结构的尺寸限制；

步骤2、对排汽缸前的低压级组进行建模，网格划分和气动计算；边界条件为设计参数，进口给定总温、总压、水蒸汽的干度，出口给定静压，计算工质为水蒸汽。应用三维流体数值计算软件分析低压叶片的气动性能，计算得到低压叶片组出口的压力、温度、气流角和其他气动参数的分布；

步骤3、应用网格划分软件对结构参数化后的排汽缸进行网格划分，对边界层进行加密，使得网格质量符合选用湍流模型的Y+值要求。记录网格划分过程，录制为宏，在后期优化过程中调用该宏，实现网格的自动划分；

步骤4、将步骤2得到的低压叶片组出口的气动参数加入到排汽缸进口，作为排汽缸进口条件，排汽缸出口给定背压，应用三维流体数值计算软件对排汽缸气动性能进行分析；选择合适的湍流模型来计算排汽缸的气动特性，计算残差小于10E-5，且稳定，则视为流场收敛；

步骤5、提取排汽缸数值计算的结果(排汽缸进出口总温、总压、速度)，计算得到排汽缸的静压恢复系数和总压损失系数；

步骤6、将上述步骤1～步骤5集成在软件优化平台SiPESC.OPT上，并应用优化算法对排汽缸的静压恢复系数和总压损失系数进行寻优。即：将排汽缸的扩压器角度和长度作为控制变量，改变控制变量的大小，得到不同的目标函数值。