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1、 1 汽轮机排汽缸的结构优化研究 李殿玺1李剑钊1 侯英华2 曾立群2(龙江，哈尔滨，150036 摘 要：汽轮机排汽缸的改进是提高汽轮机效率最有希望的项目之一。以 件为平台，应用D 流动分析软件，采用正交试验法及拉丁方试验方法对某汽轮机的排汽缸进行了能量损失系数及出口不均匀度双目标的优化，成功地将损失系数降低了 取得了具有工程应用价值的阶段性成果，为进一步的研究奠定了基础。 关键词：排汽缸、结构优化 引言 汽轮机排汽缸是连接凝汽式汽轮机末级出口至冷凝器的通道，主要作用是利用汽轮机末级出口的余速动能，把已经做功的末级出口的乏汽导入冷凝器，排汽缸研究的目标是尽力组织好乏汽在排汽缸内的流动，寻求最
2、大利用末级出口的余速动能，在冷凝器真空度给定的条件下，增加汽轮机的有效焓降，提高汽轮机的效率。 通过试验及数值分析的方法改进排汽缸结构，获得基于当时条件下最佳性能的排汽缸的过程，即排汽缸的优化。最原始的优化方法是根据经验进行多方案的试验，筛选性能最优的即为最终方案。这种方法特点是无理论指导，最终结果完全靠经验，结果是否最佳、与最佳值接近程度很难判断。 二十世纪八十年起，国内工程研究人员先后利用正交试验法理论，进行了排汽缸的试验优化1在文献 63中，认为排汽缸优化即为扩压器和排汽缸涡壳的优化，扩压器性能与几何参数的关系为d=f(1， 2， r)，排汽缸涡壳性能与几何参数的关系为 n= f(d，
3、H， B， )，其中 标，代表与末级出口外径 D 的比值，其它参数的物理意义见图 1。根据该方法，以选定的几何参数为因素、以几何参数的若干个具体取值为水平，进行如表 1 所示正交表的设置，按照该表进行试验，获得各因素水平组合方案的排汽缸气动性能，通过正交分析，便可获得各最佳的因素水平组合方案。通过进一步的试验，可获得最佳方案的气动性能。该方法在电站汽轮机排汽缸的试验研究中迅速得到推广，使电站汽轮机的损失系数达到 水平。 图 1 排汽缸结构示意图 表 1 排汽缸正交试验因素水平设置表 随着计算机的发展及计算流体力学的进步，排汽缸的数值分析结果越来越接近实际，排汽缸的优化研究已由过去的单纯依赖模型
4、试验，转移到运用正交试验设计及数值分析寻求最优方案、试验验证最终方案的轨道上来，并逐步向多目标优化发展。 本课题应用 化软件，以 动分析软件为性能评估工具，对两端进汽、中间下排汽型式的低压汽轮机一侧排汽缸进行了优化，取得了预期效果。 2 1. 优化方案 优化方法选择 通常对于工程问题的优化 验设计） +似模型） +化算法）是一种典型且有效的优化策略。首先，通过 解设计空间的性质，筛选主要设计变量，获取大量的样本点作为建立近似模型的数据来源；然后，利用一定数量的 本数量建立近似模型，可以更加清楚的认识设计空间的性质，及各个设计变量与相应值之间的关系，更重要的是一个可靠的近似模型以完全代替原有的仿
5、真程序（如本例 真程序） ，这样相当于得到了某一设 计问题的一个知识库，将工程人员对某一学科的专业知识很好的积累、封装起来，避免了反复调用原有仿真程序大量耗时的缺陷，同时更是一劳永逸的建立了一个有很高价值的行业学科知识库，也为后续的设计优化提供了更加省时简便的黑盒子模型；最后，有了可靠的近似模型之后，可以利用近似模型的可视化工具查看近似模型的形态，然后根据近似模型特征选择适合的优化算法，例如对于多目标问题可以选择多目标优化算法，从而获得一组对应于多目标不同权重下的 集，最终考虑对各个目标的关注程度选择出最优设计方案。 上述是经过长期工程优化设计经验得到的典型有效的优化方案，但是很遗憾由于排汽缸
6、的 真时间较长，软硬件的限制导致现阶段又无法实现并行计算，因此无法得到近似模型所需要的大量样本点，少量的样本点无法保证近似模型的准确性，因此不得不放弃这一行之有效的方案，选择另外一种方案来进行优化设计。 本课题选择用多次试验设计逐步逼近优化解的方法： 首先， 用一次正交试验以较少的因子水平数 （本例选择三水平）对整个设计空间进行抽样，从而初步了解设计空间的性质，各个设计变量的主效应、献率，缩小设计空间 ；然后，用两次拉丁方试验对新的设计空间细分，逐步逼近优化解。 优化目标及约束条件 1) 优化目标 汽轮机排汽缸的性能评估参数很多，如排汽缸损失系数、压力恢复系数、出口不均匀度、排汽缸振动、噪声指
7、标等。本课题进行排汽缸气动优化，以损失系数、出口不均匀度作为排汽缸的优化目标。 在排汽缸进口截面，即导流叶栅出口处作一垂直于汽轮机轴线的平面，选取中心圆环部分，即为排汽缸的进口截面。从 果的后处理程序中获得进口截面的总压、静压（图 2、图 3） ，并进一步积分求出平均值 在排汽缸出口作一截面，从后处理程序中获得该截面的静压（图 4） ，并积分求出平均值 3 图 2 排汽缸进口截面总压分布 图 3 排汽缸进口截面静压分布 图 4 排汽缸出口截面静压分布 根据 获得排汽缸的第一个优化目标，即损失系数 =排汽缸另一个优化目标为出口不均匀度 2) 变量及约束条件 图 5 为排汽缸去壳后的几何模型。排汽
8、缸进汽管、导流叶栅、排汽缸延长段是为了 值分析边界条件的给定，不属于排汽缸。为了在提高气动性能的同时不降低排汽缸的结构强度，选择排汽缸壳体、排汽缸扩压器、斜加强柱组件、汽缸轴向连接筋进行优化。排汽缸壳体优化外壳形状，扩压器优化外环形状，斜加强柱优化相对于中间倒车进汽管的角度，汽缸轴向连接筋优化与过加强筋竖直平面的夹角。 4 图 5 排汽缸几何模型 图 6 排汽缸壳体的形状控制 a) 排汽缸壳体的成型过程及变量 在 面上生成外壳一侧的轮廓线（ ，将其镜向形成另一侧的轮廓线（ ，连接两侧端点构成封闭壳体轮廓线。由封闭轮廓线创建壳体前侧表面，表面拉伸形成排汽缸涡壳。 从生成过程看， 决定排汽缸的形状
9、，为排汽缸的形状控制线。该形状控制线有14 个变量，为降低变量数，每个点固定一坐标，只变另一坐标。这样，该控制线有 7 个变量。它们分别为 表 第一点的 Z 坐标， 表直线 二点的 x 坐标，其他类推。 b) 排汽缸扩压器外环的成型过程及变量 由于末级后具有扩压作用的外环与低压缸的内缸体相连，本优化的排汽缸扩压器外环实际包括了部分排汽缸内缸。扩压器外环是由图 7 的成型面绕 Y 轴旋转形成旋转体，然后外边缘到角 成的。成型面由 8 条线构成，样条线 1 的两点的坐标决定叶栅后具有扩压作用的外环的形状。为了减少变量个数，点 其它三个坐标作为变量。 由于样条线 1标号为 2638， 三个坐标依次表
10、示为 图 7 扩压器外环成型面 图 8 排汽缸 、 角定义 c) 斜加强柱组件、轴向连接筋的角度位置变量 根据图 8，斜加强柱组件与竖直面的夹角，作为变量 汽缸轴向连接筋与竖直面的夹角，作为变量 5 汇总起来，排汽缸总共有 12 个结构参数变量，约束条件如表 2。 表 2 排汽缸优化的约束条件 变量名 下限 上限 42 39 250 44 220 390 46 300 430 47.0 0 排汽缸的汽缸结构优化是按照优化方法的要求，对结构参数进行多方案的变化，通过 算流体力学软件对进行性能评估，最终获得最佳的排汽缸结构的过程。优化过程方案多、耗时长，要求排汽缸性能评估过程快，耗时短，同时具有一
11、定的准确、可靠性，以确保在可承受的时间内完成优化任务。因此，这要求排汽缸 能评估方法耗时短、结果可靠。 本课题应用 D 算流体动力学软件，进行排汽缸内以空气为工质的可压缩、粘性、湍流流动的数值分析，计算模型见图 9，网格数 66 万。图 10 为排汽缸内的流动模拟过程， 解器运行完毕并进行后处理后，根据 的方法可求出排汽缸损失系数 此完成了排汽缸的 估过程。 6 图 9 排汽缸计算模型 图 10 排汽缸的数值模拟过程 2. 优化过程 优化流程 本文采用 件进行排汽缸的优化。 该软件自动驱动 件进行排汽缸的结构优化。图 11 为 动 行优化的文件流。 图 11 优化过程文件流 寻优过程 本课题通
12、过一次正交试验获得了排汽缸初步方案，然后通过通过两次拉丁方方法获得排汽缸最优解，即最优排汽缸方案。各步的具体介绍如下： 1) 正交试验寻优 由于对排汽缸的各结构参数对优化目标的影响不太了解，采用全局探索的正交优化方法进行排汽缸设计变量的优化仿真试验，初步获得排汽缸的最优解。 根据本项目的设计问题，由于扩压器相对独立，仅有三个设计变量，为减少变量数，先不作为变量，仅进行其余九个变量三水平正交试验，如表 3 所示。 7 表 3 排汽缸优化设计正交表 41 42 43 44 45 46 52 ） ） 0 20 通过本轮的正交试验优化，获得最好解的损失系数为 度不均匀度为 结果与原方案几乎相同，有待进一步优化寻找最优值。但获得了各变量对优化目标的影响关系。 图 12 损失系数的主效应图 图 13 速度不均匀度主效应图 8 图 14 损失系数 图 15 出口不均匀度 2) 拉丁方试验设计 在初始方案的基础上，将排汽缸扩压器点坐标也作为设计变量，根据 筛选掉对目标贡献率较小的变量，进行了两轮拉丁方试验设计寻优，获得了比较满意的排汽缸结构方案。 表 4 拉丁方试验设计矩阵 拉丁方 优解 17 327 357 139 43 250 44 325 275
