一种汽轮机低压缸鼓风监测位置的确定方法
阅读说明：本技术 一种汽轮机低压缸鼓风监测位置的确定方法 (Method for determining blast monitoring position of low-pressure cylinder of steam turbine ) 是由 屈杰 高庆 朱蓬勃 居文平 马汀山 高登攀 张永海 谷伟伟 曾立飞 潘渤 祁文玉 于 2021-08-10 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种汽轮机低压缸鼓风监测位置的确定方法,本发明通过计算流体动力学的方法对汽轮机低压流动区进行湍流流动换热分析,可以更加透彻的了解小容积流量下低压通流区域的流动状况,通过分析不同进汽流量工况及不同叶高位置叶栅通道的速度矢量分布、温度分布以及压力分布,可以得到精准的得到低压通流区的鼓风发热高温区坐标,并对鼓风温升进行定量分析,能够精准地对鼓风发热温升进行评估,对保障火电机组常态化调峰运行的安全性具有重大的意义。(The invention discloses a method for determining a blast monitoring position of a low-pressure cylinder of a steam turbine, which is used for carrying out turbulent flow heat exchange analysis on a low-pressure flow area of the steam turbine by a computational fluid dynamics method, so that the flow condition of the low-pressure flow area under small volume flow can be known more thoroughly, the coordinates of a blast heating high-temperature area in the low-pressure flow area can be obtained accurately by analyzing the speed vector distribution, the temperature distribution and the pressure distribution of cascade channels at different steam inlet flow working conditions and different blade height positions, the blast heating temperature rise can be quantitatively analyzed, the blast heating temperature rise can be evaluated accurately, and the method has great significance for ensuring the safety of the normalized peak regulation operation of a thermal power unit.)
技术领域
本发明属于火力发电领域，具体涉及一种汽轮机低压缸鼓风监测位置的确定方法。
背景技术
当前随着全球能源需求的增长和环境问题的凸现，可再生能源在能源结构中所占比例亟待提高。考虑到近年来新能源的装机容量增长迅猛，因此火电机组需要灵活深度调峰来满足、解决电力系统中可再生能源的消纳问题，这对火电机组的运行方式调整提出了新的挑战。
火电机组深度调峰中随着火电机组负荷率降低，机组进汽流量降低，将导致火电汽轮机工作于小容积流量工况条件下。随着进汽流量的进一步降低，在汽轮机低压通流区域的流动形态将发生改变，气流将不再推动叶片做功，而会以惰性形态被动叶扇动排挤出叶片通道，这便是鼓风现象。鼓风摩擦现象会导致汽轮机叶栅通道局部出现高温区域，严重者将使得内缸受热变形，影响转静部件中心一致性，进而会威胁到机组的安全运行。
因此，在汽轮机低压通流区域，合理地确定小容量流量工况条件下鼓风最高温区的位置并进行监测，精准地对鼓风发热温升进行评估，对保障火电机组常态化调峰运行的安全性具有重大的意义。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种汽轮机低压缸鼓风监测位置的确定方法，通过计算流体动力学的方法对汽轮机低压流动区进行湍流流动换热分析，从而对鼓风发热的监测位置进行确定，使小容量流量工况条件下汽轮机低压通流区的鼓风发热温升可以得到精准的评估与监测。
为了达到上述目的，本发明包括以下步骤：
步骤一，根据汽轮机低压缸真实通流结构，根据图纸建立低压通流区域整圈多级模型；
步骤二，对低压通流区域整圈多级模型的流体计算域进行网格刨分生成多块结构化网格；
步骤三，确定低压末级通流区流体计算模型的边界条件；
步骤四，通过流动求解器数值求解雷诺时均Navier-Stokes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；
步骤五，求解步骤四的方程组获得收敛后的多工况流动计算分析结果，并进行分析，获取不同进汽流量工况及不同叶高位置叶栅通道内的速度矢量分布、温度分布以及压力分布；
步骤六，对通流区的速度矢量分布、温度分布以及压力分布进行分析，找出鼓风最高温度区间及流动稳流区，确定低压缸鼓风监测传感器的安装位置。
步骤一中，依据低压通流区域整圈多级模型的物理边界，将低压通流区域整圈多级模型中的转静部件分别设置于静止及旋转计算域。
步骤二中，计算网格的最大长宽比小于30，正交角均大于45度。
步骤二中，多块结构化网格生成时，通过在壁面进行网格加密，以满足Y+<1的要求；多块结构化网格生成时设置O型贴体网格位于通流级动、静叶片表面，H型网格位于主流道进出口延伸段。
步骤三中，边界条件是根据低压缸进口主流进口的边界设置，低压缸排汽导流环出口设置静压边界，旋转域设置旋转速度，动静交接面设置混合面模型，其余固体壁面设置为光滑、绝热条件。
步骤四中，雷诺时均Navier-Stokes方程组的具体形式如下：
式中：i和j指标取值范围为1-3，ρ为密度，SM为动量方程源项，SE为能量方程源项，τ为剪切应力的张量，为雷诺应力项，为湍流通量，为粘性做功项。
步骤四中，步骤四中，Boussinesq湍流模型的具体形式如下：
式中：μeff为有效粘性。
步骤四中，求解器的离散格式为高精度二阶差分格式。
步骤五中，多工况流动计算分析结果包括不同进汽流量工况下低压通流区域子午面速度矢量分布、子午面温度分布、压力分布以及10～90％叶高处叶栅通道内速度矢量分布、温度分布、压力分布，以及计算域中网格节点处的压力、温度以及速度值的物理量绝对值。
步骤六中，低压通流区温度值最高的网格节点的坐标位置为鼓风温度监测传感器安装位置。
与现有技术相比，本发明通过计算流体动力学的方法对汽轮机低压流动区进行湍流流动换热分析，可以更加透彻的了解小容积流量下低压通流区域的流动状况，通过分析不同进汽流量工况及不同叶高位置叶栅通道的速度矢量分布、温度分布以及压力分布，可以得到精准的得到低压通流区的鼓风发热高温区坐标，并对鼓风温升进行定量分析，能够精准地对鼓风发热温升进行评估，对保障火电机组常态化调峰运行的安全性具有重大的意义。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为本发明实施例的网格模型图；
图3为本发明实施例的2.5％THA工况低压通流区子午面温度场计算结果示意图；
图4为本发明实施例的2.5％THA工况90％叶高叶栅通道内压力场计算结果示意图；
图5为本发明实施例的2.5％THA工况90％叶高叶栅通道内速度场计算结果示意图。
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，本发明包括以下步骤：
步骤一，根据几何图纸通过三维建模软件参照汽轮机低压缸真实通流结构，建立低压通流区域整圈多级模型，并通过流体分析软件生成模型流体计算域，依据模型实际物理边界，将模型中的转静部件分别设置于静止及旋转计算域。
步骤二，采用商用软件对流体计算域进行网格刨分，生成多块结构化网格，计算网格需满足最大长宽比小于30，正交角均在45度以上的技术要求，以保证其具有较好的正交性。网格生成时通过在壁面进行网格加密，以满足Y+<1的要求；网格生成时设置O型贴体网格位于通流级动、静叶片表面，H型网格位于主流道进出口延伸段。
步骤三，确定低压末级通流区流体计算模型的边界条件，其中低压缸进口主流进口根据实际边界设置总温总压边界，低压缸排汽导流环出口设置静压边界，旋转域设置旋转速度，动静交接面设置混合面模型，其余固体壁面设置为光滑、绝热条件。计算工质采用IAPWS-IF97模型的水蒸气。
步骤四，通过流动求解器数值求解雷诺时均Navier-Stokes方程组，其具体形式如下：
式中：i和j指标取值范围为1、2、3，ρ为密度，单位为kg·m3，SM为动量方程源项，SE为能量方程源项，τ为剪切应力的张量，为雷诺应力项，为湍流通量，为粘性做功项。
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，其具体形式如下：
式中：μeff为有效粘性。
求解器的离散格式为高精度二阶差分格式。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10-5级时，并且各计算域进出口流量不平衡率小于0.1％时，认为计算收敛。
步骤五，获得取收敛后的多工况流动计算分析结果并进行后处理，进而获取不同进汽流量工况下低压通流区域子午面速度矢量分布、子午面温度分布、压力分布以及10～90％叶高处叶栅通道内速度矢量分布、温度分布、压力分布。以及计算域中网格节点处的压力、温度以及速度值等物理量绝对值。计算工况包括2.5％THA、5％THA、10％THA、20％THA、25％THA、50％THA及100％THA工况。计算采用迭代开展，首先进行THA工况的计算获得计算初场，接着迭代依次进行50％THA、30％THA、20％THA、10％THA、5％THA及2.5％THA等工况的计算。
步骤六，对不同进汽流量工况及不同叶高位置叶栅通道的速度矢量分布、温度分布以及压力分布进行分析，找到低压通流区温度值最高的网格节点，该网格节点的坐标位置即为鼓风温度监测传感器安装位置。
实施例：
参见图1至图5，本发明包括以下步骤：
步骤一，根据几何图纸通过三维建模软件参照汽轮机低压缸真实通流结构，建立低压通流区域整圈多级模型，并通过流体分析软件生成模型流体计算域，依据模型实际物理边界，将模型中的转静部件分别设置于静止及旋转计算域。
步骤二，参见图2，采用商用软件对流体计算域进行网格刨分，生成多块结构化网格，计算网格需满足最大长宽比小于30，正交角均在45度以上的技术要求，以保证其具有较好的正交性。网格生成时通过在壁面进行网格加密，以满足Y+<1的要求；网格生成时设置O型贴体网格位于通流级动、静叶片表面，H型网格位于主流道进出口延伸段。为了保证求解精度，所生成的计算网格在链接的区域保证了网格节点一一对应，每级静叶沿周向布置至少55个节点，沿着轴向布置至少73个节点，每级动叶片沿周向至少布置48个节点，沿着轴向布置至少82个节点，主流通道沿着叶高方向布置至少65个节点，最终网格计算节点的数目为786万。
步骤三，确定低压末级通流区流体计算模型的边界条件，其中低压缸进口主流进口根据实际边界设置总温总压边界，具体为THA工况进口给定总压PIN＝0.244MPa，总温210℃，低压缸排汽导流环出口设置静压边界，具体为POUT＝4.9KPa，旋转域设置旋转速度具体为3000rpm，动静交接面设置混合面模型，其余固体壁面设置为光滑、绝热条件。计算工质采用IAPWS-IF97模型的水蒸气。
步骤四，通过流动求解器数值求解雷诺时均Navier-Stokes方程组，其具体形式如下：
式中：i和j指标取值范围为1、2、3，ρ为密度，单位为kg·m3，SM为动量方程源项，SE为能量方程源项，τ为剪切应力的张量，为雷诺应力项，为湍流通量，为粘性做功项。
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，其具体形式如下：
式中：μeff为有效粘性。
求解器的离散格式为高精度二阶差分格式。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10-5级时，并且各计算域进出口流量不平衡率小于0.1％时，认为计算收敛。
步骤五，获得取收敛后的多工况流动计算分析结果并进行后处理，进而获取不同进汽流量工况下低压通流区域子午面速度矢量分布、子午面温度分布、压力分布以及10～90％叶高处叶栅通道内速度矢量分布、温度分布、压力分布。以及计算域中网格节点处的压力、温度以及速度值等物理量绝对值。计算工况包括2.5％THA、5％THA、10％THA、20％THA、25％THA、50％THA及100％THA工况。计算采用迭代开展，首先进行THA工况的计算获得计算初场，接着迭代依次进行50％THA、30％THA、20％THA、10％THA、5％THA及2.5％THA等工况的计算。
步骤六，对不同进汽流量工况及不同叶高位置叶栅通道的速度矢量分布、温度分布以及压力分布进行分析，找到低压通流区温度值最高的网格节点，该网格节点的坐标位置即为鼓风温度监测传感器安装位置。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：一种适用于汽轮机叶片流热固耦合分析方法