600MW空冷汽轮机组低压排汽缸流场模拟和结构优化

采用雷诺平均的NS方程和标准的k-ε湍流模型对某空冷汽轮机低压排汽缸进行数值模拟。计算结果显示设计工况下该排汽缸中扩压器出口附近流动发生了分离,导致排汽缸的气动性能不理想。为了改善扩压通道的流场进而提高其气动性能,对扩压器结构进行了优化。优化后的扩压器出口的静压恢复系数比原结构提高了46.5%,总压损失系数分别降低了20.4%。对于排汽缸,其出口的静压恢复系数提高了137.7%,总压损失系数降低了30.6%。由此说明优化后的排汽缸具有较好的气动性能。     

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。     

扩压管流道改型对汽轮机排汽缸流动的影响

当容积流量减小时,排汽缸内的流动将偏离设计工况,静压恢复系数和总压恢复系数都将发生变化。基于国内外研究现状,联合末级全周建立了三维计算模型,设计了3种不同导流环倾角的扩压管流道,分析了100%、70%、40%等3种容积流量工况下排汽缸内的流动特性及涡系特点,得到了3种方案不同容积流量下的静压恢复系数及总压损失系数。研究表明:导流环倾角增加将抑制导流环附近漩涡的产生及发展,静压恢复效果显著,能量损失较原型有所减小。研究结果可为汽轮机排汽缸扩压管改型提供参考。     

小容积流量下汽轮机排汽缸流动特性分析

基于国内外研究现状,建立了汽轮机排汽缸计算模型,设计了100%、43.86%、21.04%3种容积流量工况,分析了排汽缸内的流动特性及涡系特点,得到其静压恢复系数及总压损失系数分布规律。研究表明:随着容积流量的减小,排汽通道后的汽流速度增加,扩压效果减弱,静压恢复系数减小,总压损失系数增大,出口截面不均匀系数增加,流场逐渐恶化。研究结果可为汽轮机排汽缸改型提供参考。     

导流环结构对汽轮机排汽缸气动性能的影响

以某600MW汽轮机为研究对象,应用计算流体力学软件CFX对低压缸末级和排汽缸的耦合模型进行了数值模拟,分析了导流环的起始扩散角、直径以及轴向长度对排汽缸气动性能的影响。结果表明:随着导流环起始扩散角的增加,排汽缸的气动性能得到改善,但当增加到30°时,在扩压器内会产生流动分离,其最佳值为25°;导流环的直径和轴向长度过大或过小均不利于排汽缸的气动性能,其中直径最佳值为5000mm,轴向长度最佳值为900mm。选取3个变量最佳值作为导流环的优化方案,与优化前排汽缸的气动性能进行对比,排汽缸出口的静压恢复系数提高了7.2%,总压损失系数降低了8.4%,气动性能有了明显的改善。     

汽轮机低压排汽缸内导流挡板对其性能影响的分析

通过吹风试验研究了汽轮机排汽缸内安装导流挡板对排汽缸性能的影响,采用CFD软件对排汽缸计算模型进行了模拟,获得了安装不同导流挡板的工况下排汽缸的气动性能和内部流场的变化.结果表明:在排汽缸内合理地安装导流挡板能有效提高排汽缸的扩压能力并降低流动损失,而且还可以改善其出口流场的均匀性.试验和数值模拟均证明,使流量在导流挡板两侧平均分配的5号挡板的效果最佳,分别使静压恢复系数提高了约0.029,使总压损失系数降低了约0.025,使出口不均匀度降低了约30.0%.     

某MW级燃机非对称排气道性能分析

针对某MW级燃机动力透平及非对称排气道,本文采用CFD方法首先单独研究了不同进口条件下排气道的性能,发现该排气道性能良好,总压损失较低,且对15°以内的入口旋流角具有较好的适应性。由于动力透平与排气道之间存在相互作用,将整周动力透平与排气道进行耦合计算,发现由于动力透平设计存在一定的缺陷,单级计算时动叶根部存在大范围的气流分离,与排气道耦合后,透平功率略有下降,但动叶根部气流展向分离范围有所减小,且分离程度出现周向不均匀现象;同时,由于气流分离导致动力透平出口气流的旋流角较大,耦合条件下排气道性能明显恶化,总压损失增加较大。     

某新型高效冷凝发电汽轮机排汽缸气动性能研究与结构优化

采用雷诺时均处理的N-S方程和标准k-ε湍流模型,将某新型高效冷凝发电汽轮机低压排汽缸与末级叶栅进行了联合仿真数值模拟研究。计算结果表明:排汽缸中存在以分离涡和通道涡占主导地位的漩涡流,导致气动性能不佳;为了改善扩压能力进而提高其气动性能,采取调整内外导流环扩张角度以及轴向长度等措施对扩压器进行了结构优化,优化后排汽缸出口静压恢复系数从-0.137提升到了0.1617,总压损失系数降低了近18.5%,整机效率提升了近0.5%。     

基于CFD和正交试验方法的非对称平面扩压器的流动优化

利用商用软件Fluent对所建非对称平面扩压器模型进行了数值模拟,结果与Buice的试验数据能较好地吻合,验证了模拟结果的可靠性.利用三次贝塞尔曲线对扩压段倾斜壁面型线进行参数优化,得出影响扩压器性能的主要因素为中间两控制点中χ1、χ2以及y2这3个坐标的取值.通过三次正交试验设计,发现影响因素的重要性依次为χ1、χ2和y2,并得到了一条气动性能较佳的型线.通过比较优化后型线与初始型线发现,扩压段总压损失系数下降了10.69%,而静压恢复系数提高了1.96%.     

不同工况下非对称导流环对排汽缸气动性能的影响

以某公司制造的带有非对称导流环的低压排汽缸为主要研究对象,采用标准k-ε模型,对不同蒸汽流量和不同入射角下排汽缸内流场和气动性能进行数值模拟。结果表明:只考虑入口蒸汽沿轴向的流动时,额定流量下排汽缸的气动性能随着蒸汽质量流量的增加而升高,排汽缸最大静压恢复系数达到0.3,当蒸汽质量流量大于100%THA时,气动性能降低明显;考虑蒸汽入射角的影响时,排汽缸气动性能在最大入射角小于20°时变化较为平缓;角度继续增大后,排汽缸气动性能迅速恶化。非对称导流环表面的压力分布受蒸汽入射角影响显著。     

Influences of inflow condition on non-axisymmetric flows in turbine exhaust hoods

The complex 3D flow in a steam turbine exhaust hood model with different inlet swirl and inlet total pressure radial distributions has been simulated by employing CFX-5 and analyzed in this paper. It＇s found that the inlet tangential flow angle at hub has a negative effect on the exhaust hood performance, while a negative gradient of inlet total pressure radial distribution has a positive impact on the hood performances. It＇s also numerically con- firmed that a proper distribution of total pressure at hood inlet can successfully eliminate the negative effects caused by the inappropriate inlet swirl distribution and improve the hood aerodynamic performance.     

基于正交试验的低速机增压器涡轮排气壳性能优化研究

为提升船用低速机涡轮增压器性能,对增压器涡轮排气壳底部流道结构进行参数化,设计并开展了以效率为优化目标的四因素三水平正交试验优化设计和增压器整机性能试验。首先,采用CFD数值模拟方法对不同参数组合的涡轮气动性能进行了计算,然后对涡轮排气壳底部流道结构参数开展了灵敏度分析,同时针对不同参数组结构开展了内部流场对比分析,明确结构因素对流动的影响机理;在此基础上对优化后方案开展了涡轮特性分析,最后在低速双燃料机平台上开展增压器整机试验验证。分析研究表明：在涡轮进气壳、喷嘴环和涡轮叶片等通流部件结构不变的前提下,涡轮排气壳排气方向轴向长度对涡轮整级效率的影响最大,优化后效率明显提升,设计点总压损失系数降低0.3874,静压恢复系数提升0.537,总静效率提升1.85%,其余工况总静效率最大提升2.4%。试验结果表明：优化后涡轮增压器整机效率在主机燃油模式和燃气模式下的全工况范围内效率均有提升,最大提升幅度分别达到1.4%和2.1%,涡轮性能和增压器整机性能改善明显。     

来流条件对排汽缸内非轴对称流动的影响

研究了大功率汽轮机低压缸排汽在不同气流角及不同总压分布下的流场,以模型为对象进行了三维流场的数值模拟.结果表明:排汽缸入口较大的旋流角会恶化排汽缸性能,而总压沿径向变化梯度为负时则有利于改善排汽缸气动性能.基于这一结果提出了通过改变总压分布抑制由于来流方向对排汽缸性能产生的负面影响的方法.     

叶顶间隙对于汽轮机排汽缸气动性能的影响

介绍了汽轮机末级动叶叶顶间隙对于汽轮机排汽缸性能的影响,通过耦合末级叶片的排汽缸气动数模拟来考察这一影响,发现排汽缸内的流场情况会随着间隙漏汽量的不同而产生变化,表征气动性能的压力恢复系数也随之变化.研究表明,叶顶间隙射流对于排汽缸内流场的影响是不可忽略的,在以后的排汽缸气动设计及优化工作中需要考虑叶顶漏汽射流.     

Effects of inlet swirl on the flow in a steam turbine exhaust hood

IntroductionThe flow through the exhaust hoods of steam andgas turbines is still a problematic matter today. The latestexperiments and CFD research are proof of that, e.g.works published by Solodov, Gnesin (1997)['], Sultanian,Nagao and Sakamoto (1998) ['], and other authors.The flow of the steam through the exhaust hood of acondensing steam tUrbine depends to a considerableextent on the swirl of the flow in the inlet section. Thechange of an inlet swirl results in changes in the loss ofki…     

CFD技术在汽轮机设计研究中的应用实践及展望

采用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,简称CFD)开展了汽轮机高压缸整缸的内部流场计算和低压缸末三级的变工况分析。还采用CFD分析了某空冷机组低压排汽缸流场,比较了模型排汽缸的试验和数值计算结果,又分析实际排汽缸流场的CFD计算结果,提出并验证了一个提高其静压恢复能力的优化改进措施。在总结上述成功实践的基础上,展望了基于CFD等先进技术在汽轮机行业建立新技术体系的前景。     

Aerodynamic optimization for low pressure turbine exhaust hood using Kriging surrogate model

To further improve the pressure recovery capability of low pressure turbine exhaust hood, an aerodynamic optimization system has been developed on the Matlab platform. The shape optimization for a scale model of a low pressure exhaust hood is numerically performed to maximize the mass averaged pressure recovery coefficient while subjecting to geometric constraints. Two cubic Bezier curves are used to represent the flow guide and the bearing cone profiles, respectively. Evaluation of the aerodynamic performance of the model is carried out by the commercial CFD simulator CFX. The Kriging model is used as a surrogate, which establishes a global mapping between design variables and objective function. In order to seek a balance between local and global search, an adaptive sample criterion is employed. The optimal design exhibits a reasonable performance improvement compared with the original design.     

不同进口条件对排汽缸气动性能的影响

以数值模拟的结果为基础,分析了３种不同进口速度条件对汽轮机排汽缸气动性能的影响,给出了各不同进口速度条件下的排汽缸的排汽损失系数及流场图谱,并在此基础上,分析了不同进口条件下排汽缸汽流能量的分配,提出了排汽缸优化设计的方向。