刘云飞
四川广安发电有限责任公司?四川?广安??638000
摘要：排汽腔室主要由内外缸组成，特别是内缸一侧，受进汽管道、进汽腔室、座缸阀、抽汽、补汽腔室等影响，其几何结构非常复杂。高中压排汽腔室气动性能评估主要采用CFD数值仿真、全尺寸样机试验、模型机试验等方法。样机和模型机试验周期长，耗资巨大。随着高性能计算机的发展，采用CFD仿真评估高中压排汽腔室性能成为主要评估手段。然而仿真过程中的几何处理、网格划分等给研究工作带来很多困难，导致占用计算资源过多、耗费大量时间等问题。针对这些问题，本文以典型的高中压排汽腔室为例，简化设计结构，并用标准的几何参数表示出排汽腔室的结构。使用样本库拟合的方式寻找排汽腔室气动性能随结构参数的变化规律，并使用响应面多项式进行拟合。通过这些工作，在今后高中压排汽腔室设计中，可省去繁琐的CFD仿真过程，能够快速评估其气动性能。
关键词：汽轮机；高中压；排汽腔
1 研究方法
1.1 排汽腔室参数化方法
高中压排汽腔室由扩压段、排汽腔、出口段等组成，UG建立的一般几何模型如图1所示。为了减少网格量，并提高质量，对模型中结构尺寸较小且对流场性能影响可忽略的地方进行了优化处理。优化后的模型保留了筋板、进汽管道、抽汽管道等部件，研究人员对其进行了CFD仿真计算。图2给出了排汽腔内的速度流线图，可以看出，经扩压器流出的工质，受流动惯性的影响，其主流区主要贴着排汽腔的外壁面，而排汽腔的内壁面存在大片的低速流区域。根据流动损失机理，排汽腔内的气动损失主要由湍流涡和流动剪切层产生，而低速流区域这2种损失均非常小。腔室内的复杂结构体主要在内壁面一侧，所以本文对排汽腔室进一步简化，去掉了筋板、进汽管道、抽汽管道等部分，并对其进行CFD仿真计算。
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图2 三维流场速度分布图?
基于上述结论，本文使用一些标准的结构参数表示出这种排汽腔室。整体结构主要包括扩压段、排汽段和下游收缩段。扩压段尺寸分别为:入口气流角(θ)、导流环半径(R1)、导流锥半径(R2)、导流锥轴向长度(LBR)和扩压器出口高度(Y)。排汽段尺寸包括:导流半径(R4)、排汽高度(H2)和排汽长度(L1)。为使计算域稳定，排汽下游设置一段收缩结构。
前期的仿真结果表明，其总压损失系数均低于复杂结构下的总压损失系数，但二者之间存在一定的比例关系，所以后期可以基于样本库进行结果修正，以提高评估精度。
1.2 样本库拟合方法
确定参数化方法后，本文使用了样本库数据拟合的方式，寻找腔室性能随各参数的变化规律。采用拉丁超立方抽样方法生成样本库，这是一种从多元参数分布中近似随机抽样的方法，属于分层抽样技术。其优点就是可以避免抽得的样本点过于集中于参数的中值部分，样本点可以分布得更加均匀，也更贴近样本的实际结构。这种方法生成的样本点较多，所以适合计算机试验环境。
确定了参数化建模方法和样本库生成方法后，由于样本点很多，手动CFD仿真每个样本点显然是不现实的。所以，本文搭建了一套CFD自动化仿真平台。通过编辑脚本调用多个软件，实现几何建模、网格划分、计算设置、CFD仿真、计算后处理和数据汇总等模块的自动执行，大大提高了工作效率和进度。
通常样本库建立后，需要多次寻优验证，完善样本库。由于本文每个样本点的网格量并不大，所以选择了增大样本点来弥补寻优修正的过程。整个样本库选取了900个样本点，能够使得每个参数区间内都有足够的样本数。
使用多项式拟合排汽腔室性能随各参数的变化规律，采用标准差和拟合度相关性系数作为评判拟合效果的指标。
标准差公式如下:
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式中:Xi为样本点仿真结果;n为样本点个数;Yi为样本点预测结果。
本文的拟合目标标准差小于0.1，拟合度相关系数大于0.8，采用二阶或三阶多项式即可。对于二阶多项式，其优点是多项式较少，各参数间的变化关系较清晰，但是拟合精度较低，适用于相关性较好的样本库。三阶多项式拟合精度较高，适合样本点较多、相关性较差的样本库，但各参数间的关系复杂。
2 结论
本文运用样本库响应分析的方法，对高中压排汽夹层流动损失性能进行了分析研究，得出如下结论:
1)高中压排汽腔室可简化成较为简单的参数化模型。
2)采用拉丁超立方样本生成方法，可使参数点分布更均匀，拟合效果更好。
3)经实际案例验证，采用三次多项式拟合公式能够较好地评估出排汽腔室的总压损失。其标准差为0.071，拟合度相关系数为0.85，满足评估精度要求。经过误差修正，评估精度进一步提高。基于样本库的计算能够省去CFD仿真等繁琐步骤，可快速准确地评估出腔室的性能。
4)根据参数取值范围，可快速优化腔室结构，给出参数最佳值。
参考文献
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