汽轮机变工况下末两级内的非平衡凝结流动特性研究

汽轮机级内湿蒸汽凝结流产生的水滴会降低汽轮机做功功率,同时对汽轮机叶片带来潜在威胁。为研究不同负荷下汽轮机湿蒸汽内的非平衡凝结流动特性,采用非平衡凝结流动模型对汽轮机末两级叶片进行数值模拟计算。结果表明：不同负荷下,过冷度最大值均在次末级静叶,最大值为20K,然后逐级降低至0K;同一负荷下,汽轮机湿蒸汽级内的湿度大小逐渐增加,且末级动叶20%叶高处的湿度最大,最大值为9.5%;同一负荷下,湿蒸汽的成核率在次末级的静叶处达到最大值,且3种不同负荷下成核率最大值分别是50/（m³·s）、45/（m³·s）、13/（m³·s）;凝结水滴的直径较小,在0～1μm之间。这对汽轮机通流部分设计和改造提供了理论参考。     

核电汽轮机高压缸级内凝结流动特性分析

为研究湿蒸汽在核电汽轮机高压缸内的流动特性和气动特性,对不同蒸汽状态和不同工况下湿蒸汽自发凝结流动进行三维数值分析。结果表明:过冷蒸汽自发凝结过程最缓慢,但其动压值最高。沿叶高方向,凝结首先发生在叶片上部,凝结发生的瞬间会引起湿度剧增。随着入口质量流量减小,级内湿蒸汽流动损失增加,汽轮机效率下降。在稳定负荷的前提下,随着蒸汽来流湿度增大,级内流场的气动性能变差,蒸汽的做功能力下降。     

汽轮机低压末级仿生叶型优化及流动特性研究

采用数值模拟方法对某火电机组汽轮机低压末级在小容积流量工况下级内流动分离的发展规律进行了分析,为了提升汽轮机在小容积流量工况下的做功能力,将仿座头鲸头部凸起的结构应用于末级动叶背压面进行型线优化,并基于正交法分析对比了原叶型与不同仿生叶型的末级动叶力矩.结果 表明:在小容积流量工况下,仿生凸起结构对改进末级动叶的力矩具有积极作用;正交法分析获得了具有较好性能的优化型线,使进口相对容积流量=0.3580工况下的末级动叶力矩提高了26.6％.     

小容积流量工况对排汽缸的影响分析

汽轮机末级排汽是影响排汽缸运行的关键因素。对汽轮机末级与排汽缸流场进行了数值模拟,得到当末级处于不同容积流量工况时,排汽缸内流动特性及气动性能。结果表明:随着容积流量的减小,排汽缸内流线分布恶化,扩压通道内靠近外导流环区域出现漩涡,其范围及强度随容积流量减小而增加,扩压性能下降;排汽通道流线紊乱度增加,出现复杂涡系,出口截面流动稳定性下降;大尺度漩涡的存在增加了排汽缸能量损失,静压恢复系数下降,总压损失系数增大。     

空冷汽轮机末两级变工况三维流动的数值模拟

采用三维粘性数值模拟方法对变工况下空冷汽轮机末两级流动进行了模拟,研究了效率和脱流高度等重要参数的变化规律,着重分析了设计点和小容积流量工况时的三维流场。通过分析了解了机组在变工况运行时末级流动的特点,为空冷汽轮机末级叫片的设计和优化提供了依据。图8参5     

小流量工况汽轮机末级流动不稳定数值研究

针对汽轮机低压末级在小负荷工况下出现的流动不稳定现象,进行了非定常数值模拟研究和分析。对末三级叶片耦合排气缸进行建模,其中末级采用整圈形式,对17%设计质量流量工况进行非定常计算,小流量工况下汽轮机末级表现出类似于压气机旋转失速的现象,对流场监控数据进行周向模态分解及相关分析,确定了扰动的数目为30个,其周向传播速度约为转子转速的56%。最后,结合内部流动特征对非稳定现象的形成机理进行了探讨,小流量下由于径向流动阻塞了通道,并在叶顶间隙射流的作用下形成了通道内的周期性高压区,而前缘溢流和叶顶间隙射流耦合作用促成了叶顶进口附近周期性低压区的形成。     

深度调峰工况下350 MW汽轮机组低压缸流场与温度场分布特性研究

针对某电厂350 MW超临界机组汽轮机低压缸结构,建立了由末5级叶栅通道组成的低压缸通流区域单通道三维模型。选取从热耗率验收工况（THA）降低至1.5%THA的7种运行工况,构建了低压缸蒸汽流量变化全域图谱。利用计算流体动力学方法,在不同蒸汽流量下对末级汽轮机低压缸低压流场以及温度场进行计算。计算结果表明：在THA工况下,蒸汽能够顺畅地流过低压缸通道;随着蒸汽流量降低,回流涡出现在末级动叶叶根以及中弦后方区域,叶栅通道蒸汽流动混乱度逐渐增强;当蒸汽流量降低到14%THA时,末级动叶进入到鼓风加热状态,蒸汽对末级动叶做负功,末级动叶内功率为负值;当蒸汽流量降低到5.8%THA时,末级动叶吸力面顶部出现小范围200 ℃高温区域;当蒸汽流量降低到3.0%THA时,鼓风加热现象加剧,末级动叶顶部和静叶吸力面的叶尖区均出现了200 ℃高温区域,必须采取必要的措施予以低压缸降温。     

汽轮机低压通流区鼓风态流场数值分析

为了研究低压缸进汽流量变化对某汽轮机低压通流区域流动鼓风特性的影响,建立了低压末级通流区域全5级流动分析数值计算模型,并应用SST湍流模型对三维RANS方程组进行了求解。数值计算结果表明:当低压缸进汽流量降低至8.9%THA进汽流量时,末级会出现较为明显的鼓风态流动现象。随着流量的减小,鼓风现象愈加明显。鼓风温度最高的区域位于末级静叶与动叶之间。研究成果可为低负荷工况下汽轮机设计及运行提供参考。     

汽轮机低压缸变工况特性的数值研究

采用数值计算的方法,基于k-e两方程湍流模型的雷诺时均NS方程求解得到汽轮机低压缸通流部分的流场,通过比较不同背压工况下的流动特点,分析低压缸的变工况特性,着重研究高背压相对小容积流量时末级叶片的流场,为下一步叶片颤振分析给出流动数据.     

汽轮机排汽通道喷水减温对末级流场的影响

汽轮机超低负荷运行时,末级的鼓风工况导致汽轮机排汽超温,因此需要对排汽通道进行喷水减温。采用欧拉-拉格朗日质子追踪法对排汽通道内喷水减温的传热传质特性进行了数值研究,分析了喷水减温对末级流场的影响。结果表明:排汽通道内的流场具有蒸汽与减温水温差小、蒸汽流动速度快的特点,导致减温水的蒸发量极小。喷水对动静间隙涡和分离涡的影响不明显,但增加了回流涡的高度和流速。同时,喷水使末级压力增加,动叶压比增大,导致动叶消耗的轴功降低。     

汽轮机高压缸小容积流量工况数值模拟

建立了某汽轮机高压缸的两级叶栅通道的数值模型,并且通过减小背压降低流量以达到模拟高压缸小流量工况的目的。对不同流量工况进行流场分析可以得到,小流量工况下高压缸的动叶顶部间隙处由于速度分布和间隙流的影响最易形成涡流,其随流量的减小,逐渐向流道底部发展。并且容积流量的减少会导致负攻角的产生,导致级内的分离流动。在小流量下分离流动存在于整个叶高通道,阻塞主流。通过分析级的焓降变化可以得出,当级的流量为设计流量的50%时即将进入鼓风工况前的过渡工况,这与一些文献中所推导的结论一致。同时鼓风工况会使得级内的温度场发生较大的变化,在20%设计流量下,排汽温度比设计工况提高了30K,危害汽轮机的安全运行。     

小流量工况下汽轮机末级的湿蒸汽凝结研究

在火电机组深度调峰过程中,汽轮机常工作在小流量工况,低压缸末级内湿蒸汽的凝结及分布规律也非常复杂。将两相流体模型和经修正的均质成核模型及液滴生长模型相结合,对小流量工况下末级湿蒸汽凝结规律进行研究。结果表明:湿蒸汽成核率的分布受压力场的影响较大,且与压力场的分布趋势相近。不同截面液滴数及粒径的分布受到涡的影响也较为突出,液滴主要分布于动叶压力面侧及动叶片尾缘下游,这与该处的流线涡位置相吻合,并且在液滴数越多的位置液滴粒径也越大。     

600 MW机组排汽管道内湿蒸汽的数值模拟

建立了600 MW发电机组直接空冷排汽管道内湿蒸汽两相流动和传热的数学模型.利用计算流体力学软件FLUENT,对典型工况下汽轮机的排汽状况进行了数值模拟,对二维管道内湿蒸汽速度场、温度场和两相场进行了分析和研究.结果表明:在典型工况下,流经各蒸汽分配管的流量不均,压降不同,应进行结构的改进.     

大功率汽轮机湿蒸汽级两相凝结流动的数值模拟与分析

采用真实气体平衡态计算模式和非平衡态自发凝结两相流动计算模式两种不同的计算方法对某大功率汽轮机低压末两级内三维湿蒸汽两相凝结流动进行了模拟和分析。计算表明非平衡效应引起湿蒸汽级组内流量、焓降在各级之间的分配、叶栅出口气流角、各级反动度都有发生变化。     

湿蒸汽非均质高速凝结流动的数值研究

基于冠状成核机理,建立了湿蒸汽两相非均质凝结流动数值模型,对缩放喷管、汽轮机叶栅和汽轮机级内湿蒸汽两相非均质凝结流动进行了数值模拟．结果表明：与自发凝结相比,非均质凝结流动中杂质颗粒改变了凝结过程;杂质颗粒减小了喷管中凝结激波强度,改变了汽轮机叶栅中的压力分布,降低了蒸汽过冷度,减少了不平衡热力学损失;在汽轮机级内,非均质凝结流动的动、静叶进、出口汽流角接近过热蒸汽流动的动、静叶进、出口汽流角,其动叶前压力高于过热蒸汽的动叶前压力,但级反动度偏离过热蒸汽流动数值．     

小容积流量工况下汽轮机末级流场的计算研究

基于气体动力学基本方程和附面层理论，对汽轮机在小容积流量工况下的末级特性进行了理论分析，着重分析了回流首先出现的位置及它的扩张方向，并结合试验提出了汽轮机末级流场已出现回流的流动模型及对此模型的求解方法。利用此模型对某100MW机组进行了计算，与实测结果基本符合。     

末级长叶片透平级气动性能的数值研究

采用数值求解RANS(Reynolds-Averaged Navier-Stokes)方程和S-A湍流模型的方法研究了背压和进口流量对汽轮机低压缸末三级通流部分流场结构的影响,特别是对末级长叶片透平级气动性能的影响特性。结果表明:背压升高和进口流量降低导致末三级总总等熵效率降低;随着背压升高和进口流量降低,进口汽流角(攻角)增大,叶栅通道内出现涡流,出口汽流角增大,使得余速损失先减小后增大。在高背压和小质量流量工况下,动叶出口扩压段出现回流区,动静间隙顶部出现环形涡流。指出了末级出口相对容积流量可以作为判定背压和流量变化引起末级长叶片和低压缸通流变工况特性变化的气动参数。     

小容积流量下汽轮机末级流场涡流结构特性分析

采用计算流体动力学软件CFX对汽轮机在小容积流量下的末级流场进行了数值模拟计算,分析了动叶不同截面流线特征,得到根部回流和动静顶部涡流的结构特征。结果表明:汽轮机末级在30%设计工况下动叶根部出现回流,动叶压力面出现附面层分离流。20%设计工况下末级达到鼓风工况,动静顶部出现涡流。且每种涡流的发展方向并不相同。为分析小容积流量下末级的安全性奠定了基础。     

汽轮机低压末三级耦合排汽缸的气动性能研究

为满足大型核电汽轮机低压排汽系统的开发,采用ANSYS-CFX软件数值求解Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS)方程和k-ε紊流模型方法研究了低压缸末三级与排汽缸的变工况气动性能.结果表明:变工况显著改变了末级动叶的气动性能,对次次末级、次末级和末级静叶的气动性能几乎没有影响;排汽缸的气动性能受变工况的影响较大,小流量工况下的涡系结构发生较大变化,降低了扩压器静压恢复能力,增加了总压损失和改变了蜗壳内的流场;排汽缸背压减小导致透平级流量的降低和末级动叶出口气流角的变化,进而改变了排汽缸进口的流场特征.研究结果可以为汽轮机排汽缸的设计和优化提供理论支持.     

汽轮机末级动叶片出口边水蚀特性及疲劳裂纹扩展的研究

空冷汽轮机组、调峰汽轮机组及热电联产汽轮机低压缸在小容积流量工况下运行时，末级动叶片根部分离流区的回流会将排汽缸湿蒸汽中的水滴带回叶栅通道，使动叶片吸力面出口区侵蚀并引发疲劳裂纹。为了确定机组负荷工况对叶片水蚀特性及叶片安全性的影响，首先利用流线曲率法发展出一种计算回流气动特性及水滴撞击叶片速度的方法。并用以分析了一台200MW汽轮机末级动叶根部出口边水蚀的特性，分析结果与实际情况较一致。此后，采用断裂力学理论研究了出口边水蚀缺口处的裂纹萌生期与扩展的增长率，计算结果与实际裂纹发展情况较为符合。所发展的方法为研究预防叶片出口边水蚀方法和合理制定机组检修周期提供了有用手段。