低压排汽缸气动优化设计

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1、低压排汽缸气动优化设计摘要：结合三阶贝齐尔曲线参数化方法、静压恢复系数评价方法、拉丁立方试验设计、三阶响应面近似模型及基于iSight优Hooke-Jeeves直接搜索算法的组合优化策略,化软件平台，建立了排汽缸外导流环优化设计系统。以静压恢复系数最大为目标完成了单独排汽缸优化设计，采用数值求解三维Reynolds-AveragedNavier-Stokes方程的方法验证了耦合低压末级和排汽缸结构的排汽缸优化设计系统的有效性。结果表明，基于优化设计系统进行的优化设计，使得排汽缸静压恢复系数相对于初始排汽缸提高了61.1%,排汽缸蜗壳内的静压损失明显减小，从而验证了排汽缸优化设

2、计的有效性和耦合低压末级对排汽缸气动性能分析的必要性。关键词：排汽缸；静压恢复；优化设计；数值模拟中图分类号：TK474.7文献标志码：A文章编号：0253-987X03-0019-06冷凝式汽轮机排汽缸的主要功能是将低压末级出口的蒸汽动能转化为压力能，在凝汽器真空度给定的条件下，可降低末级出口截面处的静压，增加末级的出力，提高汽轮机机组的热效率。大功率汽轮机低压缸末级出口平均绝对马赫数为0.5〜0.8,其排汽动能约占机组总焙降的1.5%,如果能有效地回收、利用这部分能量，可以使机组的热效率提高约l%o因此，高性能排汽缸设计是提高汽轮机能量转换效率的重要技术手段。图1给出了典

3、型的大功率汽轮机低压缸三维结构图。静压恢复主要在排汽缸的扩压器导流环中完成，还有一部分在排汽缸的蜗壳中完成。蒸汽在该结构的排汽缸内流动是先轴向再径向流向凝汽器。科研人员采用实验测量和数值模拟等方法研究了排汽缸内的三维流动形态和损失产生机理。随着优化设计方法和计算机技术的进步，提高排汽缸静压恢复系数的优化设计得到了发展。陈川等采用正交试验设计、二次多项式响应面近似评价方法和二次规划的组合优化策略对排汽缸进行了优化设计，以提高排汽缸的静压恢复能力。Wang等采用改进的Kriging和小生境微种群遗传算法对模型排汽缸导流环进行了优化设计。Yoon等应用Alstom公司的EDS对排汽

4、缸扩压器进行了设计，优化设计中考虑了末级叶片和排汽缸耦合的三维气动性能oMizumi等研发了末级叶片和扩压器耦合设计方法。Verstraete等采用计算流体动力学、排汽缸扩压器型线参数化和遗传算法优化设计了排汽缸扩压器导流环的型线，分析了优化后排汽缸在设计工况和变工况下的气动性能。排汽缸的三维优化设计中往往没有考虑低压末级与排汽缸的相互影响。因此，本文采用了拉丁立方试验设计、三阶响应面近似模型、Hooke・Jeeves直接搜索算法的组合优化策略对排汽缸外导流环进行了非轴对称优化设计。采用耦合低压末级与排汽缸整体结构对优化设计结果进行了详细的数值验证，以证明排汽缸优化设计的有效

5、性和耦合低压末级对排汽缸气动性能分析的必要性。1低压排汽缸优化设计系统图2给出了排汽缸优化设计流程。首先采用拉丁立方试验设计对设计空间进行取样，再由CFD求解样本点得到目标变量值后建立初始的三阶响应面近似模型，之后用Hooke-Jeeves直接搜索算法搜索出最优近似解，并用CFD对搜索出的最优近似解进行校核。当CFD计算得出的结果与优化算法得出的最优近似解的相对误差小于等于1.0%时，即可认为优化收敛。若误差较大，则将CFD计算值放入初始样本库中更新响应面近似模型，重新搜索，如此迭代，直到优化收敛为止。图2排汽缸设计系统是建立在iSight软件平台上的。排汽缸导流环三阶贝齐尔

6、曲线参数化方法是自编程序通过iSight设计变量接口进行调用的，排汽缸静压恢复系数的CFD评价方法是调用ANSYS-CFX软件进行的。拉丁立方试验设计和三阶响应面近似模型是基于iSight软件平台建立的，Hooke-Jeeves直接搜索算法的搜索方法是采用iSight软件提供的优化方法。1.1气动性能评价图3给出了排汽缸的计算模型及单独排汽缸计算时的边界设置。优化的主要几何结构为扩压器外导流环，优化时的进汽条件为单独排汽缸均匀进汽的条件。Reynolds-AveragedNavier-Stokes方程采用CFD软件ANSYS-CFX求解，湍流模型采用Scalable壁面函数的

7、标准k-£模型，对流项釆用二阶精度格式，工质为平衡态湿蒸汽。图4给出了单独排汽缸初始静压恢复系数随网格数的变化。由图4可知，当网格数达到231万时，静压恢复系数已基本达到网格无关解。所以，最终确定的计算网格数为231万。静压恢复系数1.2参数化方法图5给出了排汽缸外导流环控制点及其变化区域。外导流环曲线为三阶贝齐尔曲线，由4个控制点Pl、P2、P3、P4控制。考虑到扩压器进口保持不变，P1固定不动，P4坐标用扩压器出口宽度D及出口高度H控制。为了更好地控制H及D的变化，令h4=H/L,d4=D/L,L为