一种基于末级叶片参数的汽轮机低压排汽缸结构优化方法与流程

1.本发明涉及汽轮机低压排汽缸结构，具体为一种基于末级叶片参数的汽轮机低压排汽缸结构优化方法。


背景技术：

2.汽轮机低压排汽缸的主要任务是将通流部分末级叶片轴向(带有一定的径向偏斜角)排气很好地组织、引导到凝汽器。
3.低压排汽缸设计得当，可使末级的余速损失部分地回收，使得末级叶片做功能力有所提升，从而提升整个机组的效率；低压排汽缸设计得不好，末级排汽经过漫长而曲折的途径到达凝汽器入口时，非但余速动能全部损失，还要损失掉一部分末级排汽的压力能，这使得末级动叶出口的压力高于凝汽器背压，导致末级做功减少，机组效率降低。
4.过去几十年，学术界对汽轮机叶片设计优化方法进行了深入研究，叶片效率已达到极高的水平，而对排气缸的研究很少，排气缸被认为当前通流结构中提高机组效率最具潜力的部件之一。
5.低压排汽缸内部流动极其复杂，在理论上预估其性能，并设计出高性能的排汽缸是极其困难的。以往的汽轮机低压排汽缸设计主要针对低压排汽缸个体进行吹风试验和数值计算，改进低压排汽缸局部尺寸，以提升其气动性能。


技术实现要素：

6.本发明的目的是：针对现有技术中末级动叶出口的压力高于凝汽器背压，导致末级做功减少，使得机组效率降低的问题，提出一种基于末级叶片参数的汽轮机低压排汽缸结构优化方法。
7.本发明为了解决上述技术问题采取的技术方案是：
8.一种基于末级叶片参数的汽轮机低压排汽缸结构优化方法，包括以下步骤：
9.步骤一：建立汽轮机低压排汽缸几何模型，并根据建立好的汽轮机低压排汽缸几何模型得到表征排汽缸几何尺寸的参数；
10.步骤二：根据通流设计确定末级叶片平均直径d和末级叶片高度l，然后基于末级叶片平均直径d和末级叶片高度l对表征排汽缸几何尺寸的参数进行无量纲化处理，得到参数化低压排汽缸模型；
11.步骤三：利用自动优化平台对参数化低压排汽缸模型进行计算，得到参数范围内低压排汽缸性能最优的角度参数以及无量纲长度参数；
12.步骤四：根据末级叶片平均直径d和末级叶片高度l以及最优的角度参数以及无量纲长度参数进行排汽缸结构建模。
13.本发明的有益效果是：
14.(一)突破低压排汽缸个体设计的局限，具有广泛的适用性。
15.以往的汽轮机低压排汽缸设计主要针对排汽缸个体，在一定结构下进行吹风试验
或数值计算，根据计算或试验结果，对排汽缸结构进行局部调整，如此反复得到最终的设计结构。
16.本技术基于末级叶片平均直径d、叶片高度l尺寸参数，对低压排汽缸结构参数进行无量纲化处理，并通过调研总结和数值计算，给出具有良好气动性能的低压排汽缸无量纲结构参数设计范围，根据限制条件即可确定低压排汽缸初步结构参数。
17.本技术不受排汽缸个体限制，适用于各种功率等级、各种排汽参数的汽轮机低压缸结构设计，一旦末级叶片参数确定，即可完成低压排汽缸结构设计，具有广泛的适用性。
18.(二)引入低压排汽缸结构优化方法，缩短低压排汽缸设计周期。
19.利用本技术搭建低压排汽缸参数化优化平台，以静压恢复系数作为评价标准，对低压排汽缸初步结构参数进行自动优化计算，即可得到气动性能最优对应的低压排汽缸无量纲结构参数，有效规避“计算(或试验)-结构调整-再计算(或试验)”的盲目和随机性，大大缩短低压排汽缸的设计周期。
20.(三)有效提升机组效率，降低机组热耗。
21.本技术可在现有约束条件下，找到气动性能最优的低压排汽缸结构参数，因而可以显著提升机组效率，降低机组热耗或增加机组输出功率。本技术解决了末级动叶出口的压力高于凝汽器背压，导致末级做功减少，使得机组效率降低的问题。
附图说明
22.图1为低压排汽缸缸体几何参数示意图1；
23.图2为低压排汽缸缸体几何参数示意图2；
24.图3为低压排汽缸导流环几何参数示意图；
25.图4为末级叶片在低压排汽缸位置示意图；
26.图5为汽轮机低压排汽缸参数优化平台功能模块示意图。
具体实施方式
27.需要特别说明的是，在不冲突的情况下，本技术公开的各个实施方式之间可以相互组合。
28.具体实施方式一：参照图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种基于末级叶片参数的汽轮机低压排汽缸结构优化方法，包括以下步骤：
29.步骤一：建立汽轮机低压排汽缸几何模型，并根据建立好的汽轮机低压排汽缸几何模型得到表征排汽缸几何尺寸的参数；
30.步骤二：根据通流设计确定末级叶片平均直径d和末级叶片高度l，然后基于末级叶片平均直径d和末级叶片高度l对表征排汽缸几何尺寸的参数进行无量纲化处理，得到参数化低压排汽缸模型；
31.步骤三：利用自动优化平台对参数化低压排汽缸模型进行计算，得到参数范围内低压排汽缸性能最优的角度参数以及无量纲长度参数；
32.步骤四：根据末级叶片平均直径d和末级叶片高度l以及最优的角度参数以及无量纲长度参数进行排汽缸结构建模。
33.具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一的进一步说明，本实施方式与
具体实施方式一的区别是所述表征排汽缸几何尺寸的参数包括表征汽缸体的几何参数和表征导流环的几何参数。
34.具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式二的进一步说明，本实施方式与具体实施方式二的区别是所述表征汽缸体的几何参数包括：汽缸体轴向长度lc、汽缸体宽度wc、汽缸体上半高度hu、汽缸体下半高度hd、汽缸体后壁倾角δ、汽缸体壁厚tc、汽缸体导流锥入口角α
in
、汽缸体导流锥转弯半径rn和汽缸体导流锥出口角α
out
。
35.具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式三的进一步说明，本实施方式与具体实施方式三的区别是所述表征导流环的几何参数包括：导流环起始扩张角β、导流环转弯半径rk、导流环轴向长度lk和导流环壁厚tk。
36.具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式四的进一步说明，本实施方式与具体实施方式四的区别是所述步骤二的具体步骤为：
37.根据通流设计确定末级叶片平均直径d和末级叶片高度l，然后以末级叶片平均直径d和末级叶片高度l作为特征变量，对表征排汽缸几何尺寸的参数中的长度变量进行无量纲化处理，得到低压排汽缸无量纲参数，然后根据低压排汽缸无量纲参数以及表征排汽缸几何尺寸的参数中的角度参数得到参数化低压排汽缸模型。
38.具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式五的进一步说明，本实施方式与具体实施方式五的区别是所述低压排汽缸无量纲参数包括：汽缸体轴向长度因子p1＝lc/l、汽缸体宽度因子p2＝wc/d、汽缸体上半高度因子p3＝hu/d、汽缸体下半高度因子p4＝hd/d、汽缸体壁厚因子p5＝tc/l、汽缸体导流锥转弯半径因子p6＝rn/d、导流环转弯半径因子p7＝rk/d、导流环轴向长度因子p8＝lk/l和汽缸体壁厚因子p9＝tk/l。
39.具体实施方式七：本实施方式是对具体实施方式六的进一步说明，本实施方式与具体实施方式六的区别是所述角度参数包括：汽缸体后壁倾角δ、汽缸体导流锥入口角α
in
、汽缸体导流锥出口角α
out
和导流环起始扩张角β。
40.具体实施方式八：本实施方式是对具体实施方式七的进一步说明，本实施方式与具体实施方式七的区别是所述自动优化平台包括三维建模模块、网格划分模块、低压排汽缸cfd数值计算模块以及优化模块；
41.所述三维建模模块用于将末级叶片平均直径d、末级叶片高度l以及角度参数、无量纲长度参数转化为低压排汽缸三维结构模型，并通过布尔运算得到流体计算域；
42.所述网格划分模块用于对流体计算域划分非结构网格；
43.所述低压排汽缸cfd数值计算模块用于根据划分非结构网格后的流体计算域，并在指定边界条件下开展数值计算，得到给定三维结构下低压排汽缸气动性能评价参数；
44.所述优化模块用于根据给定三维结构下低压排汽缸气动性能评价参数进行低压排汽缸结构参数寻优。
45.优化平台如图5所示。
46.具体实施方式九：本实施方式是对具体实施方式八的进一步说明，本实施方式与具体实施方式八的区别是所述优化模块采用正交试验和响应面近似模型的组合优化策略，所述优化模块具体执行如下步骤：
47.一：在给定参数范围内，采用正交试验的方法对设计空间进行扫描，得到设计参数样本库；
48.二：利用cfd模块对设计参数样本库进行计算，得到每个样本参数下的性能评价参数；
49.三：利用响应面方法在样本参数和性能评价参数之间建立数学近似模型，得到最优性能评价参数对应的样本参数；
50.四：给定最优样本参数，利用cfd模块进行气动性能校核。
51.本技术根据通流设计确定的末级叶片参数，进行低压排汽缸参数化建模，并进行关键结构参数优化，提升低压排汽缸气动性能，提高机组效率，并在哈尔滨汽轮机厂有限责任公司(下面简称哈汽公司)超超临界660mw改造机组及1000mw核电机组中应用，具有良好的应用前景和经济价值。
52.本技术为了解决提升汽轮机低压排汽缸气动性能的问题。本技术提供一种基于末级叶片参数的汽轮机低压排汽缸结构优化方法，即本技术能够根据汽轮机末级叶片参数，通过自动优化平台给出气动性能最优对应的低压排汽缸几何结构尺寸，从而有效提升机组效率。
53.本技术已应用于哈汽公司超超临界660mw改造汽轮机组及1000mw华龙一号核电半转速汽轮机组低压排汽缸优化设计工程实践，与原设计方案相比，超超临界660mw改造汽轮机组设计热耗下降1.1
‰
，1000mw华龙一号核电半转速汽轮机组设计功率提升1.5
‰
。
54.本技术具体为：
55.w1.建立汽轮机低压排汽缸几何模型。
56.从结构角度分析，低压排汽缸主要有两个结构部件，分别为导流环和汽缸体。其中导流环与汽缸体上面的导流锥，构成了扩压器，作用是回收余速动能，并转化为排汽的压力能；汽缸体内扩压器出口至汽缸体出口，构成了蜗壳，实现气流90
°
转向。
57.表征汽缸体的几何参数有9个，如附图1所示，它们分别是：
58.(1)汽缸体轴向长度lc；
59.(2)汽缸体宽度wc；
60.(3)汽缸体上半高度hu；
61.(4)汽缸体下半高度hd；
62.(5)汽缸体后壁倾角δ；
63.(6)汽缸体壁厚tc；
64.(7)汽缸体导流锥入口角α
in
；
65.(8)汽缸体导流锥转弯半径rn；
66.(9)汽缸体导流锥出口角α
out
；
67.表征导流环的几何参数有4个，如附图2所示，它们分别是：
68.(10)导流环起始扩张角β；
69.(11)导流环转弯半径rk；
70.(12)导流环轴向长度lk；
71.(13)导流环壁厚tk；
72.另外有两个参数，用于确定导流环、汽缸体导流锥在汽缸体径向的位置，如附图3所示，它们是：
73.(14)末级叶片平均直径d；
74.(15)末级叶片高度l；
75.本发明通过上述15参数法，其中11个长度变量，4个角度变量量，建立汽轮机低压排汽缸几何模型。
76.w2.基于末级叶片中径d、叶高l，对表征排汽缸几何尺寸的参数进行无量纲处理，得到参数化低压排汽缸模型。
77.选择中径d、叶高l作为特征变量，对表达低压排汽缸的其余长度变量进行无量纲化处理，得到如下低压排汽缸无量纲参数：
78.(1)汽缸体轴向长度因子p1＝lc/l；
79.(2)汽缸体宽度因子p2＝wc/d；
80.(3)汽缸体上半高度因子p3＝hu/d；
81.(4)汽缸体下半高度因子p4＝ha/d；
82.(5)汽缸体壁厚因子p5＝tc/l；
83.(6)汽缸体导流锥转弯半径因子p6＝rn/d；
84.(7)导流环转弯半径因子p7＝rk/d；
85.(8)导流环轴向长度因子p8＝lk/l；
86.(9)汽缸体壁厚因子p9＝tk/l；
87.汽轮机通流设计确定末级叶片中径d、叶高l后，通过给定上述9个无量纲长度参数及4个角度参数，即可得到参数化低压排汽缸模型。
88.本发明提出的适用于各种功率等级、各种排汽参数的汽轮机低压缸结构设计，一旦末级叶片参数尺寸确定，即可完成低压排汽缸初步结构设计，具有广泛的适用性。
89.以哈汽公司超超临界660mw汽轮机组为例，末级叶片中径d＝2768mm、叶高l＝1040mm，给定如下无量纲因子：
90.(1)汽缸体轴向长度因子p1＝2.1；
91.(2)汽缸体宽度因子p2＝2.4；
92.(3)汽缸体上半高度因子p3＝1.10；
93.(4)汽缸体下半高度因子p4＝1.13；
94.(5)汽缸体壁厚因子p5＝0.030；
95.(6)汽缸体导流锥转弯半径因子p6＝0.61；
96.(7)导流环转弯半径因子p7＝0.16；
97.(8)导流环轴向长度因子p8＝0.83；
98.(9)汽缸体壁厚因子p9＝0.015；
99.(10)汽缸体后壁倾角δ＝10.0
°
；
100.(11)汽缸体导流锥入口角α
in
＝10.0
°
；
101.(12)汽缸体导流锥出口角α
out
＝58.7
°
；
102.(13)导流环起始扩张角β＝25.2
°
；
103.即可得到参数化低压排汽缸模型。
104.w3.利用低压排汽缸参数自动优化平台计算，在给定参数范围内，确定低压排汽缸气动性能最优对应的角度参数及无量纲长度参数。
105.可以采用各公司开发的低压排汽缸优化平台进行计算，本发明采用哈汽公司自主
开发的汽轮机低压排汽缸参数优化平台，该平台功能模块示意如图4所示。
106.该优化平台包含低压排汽缸三维建模模块，网格划分模块，低压排汽缸cfd数值计算模块，以及根据低压排汽缸气动性能评价参数进行低压排汽缸结构参数寻优的优化模块。
107.末级叶片中径d、叶高l，以及上述9个无量纲长度参数及4个角度参数，共15个参数作为低压排汽缸输入结构参数，静压恢复系数作为低压排汽缸气动性能评价参数。
108.优化模块采用正交试验和响应面近似模型的组合优化策略，优化流程如下：
109.(1)在给定参数范围内，采用正交试验的方法对设计空间进行扫描，得到设计参数样本库；
110.(2)利用cfd模块对样本库进行计算，得到每个样本参数下的性能评价参数；
111.(3)利用响应面方法在输入样本数据和性能评价参数之间建立数学近似模型，找到性能评价参数最优对应的输入样本参数。
112.(4)给定最优输入样本参数，利用cfd模块进行气动性能校核。
113.本步骤利用低压排汽缸自动优化平台，自动寻找给定参数范围内，低压排汽缸气动性能最优对应的角度参数及无量纲长度参数。
114.w4.利用三维建模工具，完成低压排汽缸最终结构设计；
115.根据末级叶片中径d、叶高l，以及上一步优化计算得到的气动性能最优对应的角度参数及无量纲长度参数，利用三维建模工具，即可完成排汽缸结构建模，根据强度计算结果添加合适的筋板和撑杆，即可完成汽轮机低压排汽缸最终结构设计。
116.需要注意的是，具体实施方式仅仅是对本发明技术方案的解释和说明，不能以此限定权利保护范围。凡根据本发明权利要求书和说明书所做的仅仅是局部改变的，仍应落入本发明的保护范围内。

技术特征：
1.一种基于末级叶片参数的汽轮机低压排汽缸结构优化方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一：建立汽轮机低压排汽缸几何模型，并根据建立好的汽轮机低压排汽缸几何模型得到表征排汽缸几何尺寸的参数；步骤二：根据通流设计确定末级叶片平均直径d和末级叶片高度l，然后基于末级叶片平均直径d和末级叶片高度l对表征排汽缸几何尺寸的参数进行无量纲化处理，得到参数化低压排汽缸模型；步骤三：利用自动优化平台对参数化低压排汽缸模型进行计算，得到参数范围内低压排汽缸性能最优的角度参数以及无量纲长度参数；步骤四：根据末级叶片平均直径d和末级叶片高度l以及最优的角度参数以及无量纲长度参数进行排汽缸结构建模。2.根据权利要求1所述的一种基于末级叶片参数的汽轮机低压排汽缸结构优化方法，其特征在于所述表征排汽缸几何尺寸的参数包括表征汽缸体的几何参数和表征导流环的几何参数。3.根据权利要求2所述的一种基于末级叶片参数的汽轮机低压排汽缸结构优化方法，其特征在于所述表征汽缸体的几何参数包括：汽缸体轴向长度l
c
、汽缸体宽度w
c
、汽缸体上半高度h
u
、汽缸体下半高度h
d
、汽缸体后壁倾角δ、汽缸体壁厚t
c
、汽缸体导流锥入口角α
in
、汽缸体导流锥转弯半径r
n
和汽缸体导流锥出口角α
out
。4.根据权利要求2所述的一种基于末级叶片参数的汽轮机低压排汽缸结构优化方法，其特征在于所述表征导流环的几何参数包括：导流环起始扩张角β、导流环转弯半径r
k
、导流环轴向长度l
k
和导流环壁厚t
k
。5.根据权利要求2所述的一种基于末级叶片参数的汽轮机低压排汽缸结构优化方法，其特征在于所述步骤二的具体步骤为：根据通流设计确定末级叶片平均直径d和末级叶片高度l，然后以末级叶片平均直径d和末级叶片高度l作为特征变量，对表征排汽缸几何尺寸的参数中的长度变量进行无量纲化处理，得到低压排汽缸无量纲参数，然后根据低压排汽缸无量纲参数以及表征排汽缸几何尺寸的参数中的角度参数得到参数化低压排汽缸模型。6.根据权利要求5所述的一种基于末级叶片参数的汽轮机低压排汽缸结构优化方法，其特征在于所述低压排汽缸无量纲参数包括：汽缸体轴向长度因子p1＝l
c
/l、汽缸体宽度因子p2＝w
c
/d、汽缸体上半高度因子p3＝h
u
/d、汽缸体下半高度因子p4＝h
d
/d、汽缸体壁厚因子p5＝t
c
/l、汽缸体导流锥转弯半径因子p6＝r
n
/d、导流环转弯半径因子p7＝r
k
/d、导流环轴向长度因子p8＝l
k
/l和汽缸体壁厚因子p9＝t
k
/l。7.根据权利要求1所述的一种基于末级叶片参数的汽轮机低压排汽缸结构优化方法，其特征在于所述角度参数包括：汽缸体后壁倾角δ、汽缸体导流锥入口角α
in
、汽缸体导流锥出口角α
out
和导流环起始扩张角β。8.根据权利要求7所述的一种基于末级叶片参数的汽轮机低压排汽缸结构优化方法，其特征在于所述自动优化平台包括三维建模模块、网格划分模块、低压排汽缸cfd数值计算模块以及优化模块；所述三维建模模块用于将末级叶片平均直径d、末级叶片高度l以及角度参数、无量纲
长度参数转化为低压排汽缸三维结构模型，并通过布尔运算得到流体计算域；所述网格划分模块用于对流体计算域划分非结构网格；所述低压排汽缸cfd数值计算模块用于根据划分非结构网格后的流体计算域，并在指定边界条件下开展数值计算，得到给定三维结构下低压排汽缸气动性能评价参数；所述优化模块用于根据给定三维结构下低压排汽缸气动性能评价参数进行低压排汽缸结构参数寻优。9.根据权利要求8所述的一种基于末级叶片参数的汽轮机低压排汽缸结构优化方法，其特征在于所述优化模块采用正交试验和响应面近似模型的组合优化策略，所述优化模块具体执行如下步骤：一：在给定参数范围内，采用正交试验的方法对设计空间进行扫描，得到设计参数样本库；二：利用cfd模块对设计参数样本库进行计算，得到每个样本参数下的性能评价参数；三：利用响应面方法在样本参数和性能评价参数之间建立数学近似模型，得到最优性能评价参数对应的样本参数；四：给定最优样本参数，利用cfd模块进行气动性能校核。

技术总结
一种基于末级叶片参数的汽轮机低压排汽缸结构优化方法，涉及汽轮机低压排汽缸结构，针对现有技术中末级动叶出口的压力高于凝汽器背压，导致末级做功减少，使得机组效率降低的问题，本申请基于末级叶片平均直径D、叶片高度L尺寸参数，对低压排汽缸结构参数进行无量纲化处理，并通过调研总结和数值计算，给出具有良好气动性能的低压排汽缸无量纲结构参数设计范围，根据限制条件即可确定低压排汽缸初步结构参数。本申请可在现有约束条件下，找到气动性能最优的低压排汽缸结构参数，因而可以显著提升机组效率，降低机组热耗或增加机组输出功率。本申请解决了末级动叶出口的压力高于凝汽器背压，导致末级做功减少，使得机组效率降低的问题。降低的问题。降低的问题。


技术研发人员：潘春雨 管继伟 翁振宇 刘长春 李宇峰 赵洪羽 王丽华 王健 余海鹏 徐鹏 刘云锋 张峰阁 刘瑶 徐林峰 张春秀
受保护的技术使用者：哈尔滨汽轮机厂有限责任公司
技术研发日：2022.02.16
技术公布日：2022/5/25