汽轮机中湿蒸汽两相凝结流动研究

在汽轮机湿蒸汽透平级中,湿蒸汽两相凝结流动现象的出现降低了透平级的流动效率,并且造成了透平叶片的水蚀损坏.本文针对汽轮机中的自发凝结流动,介绍了湿蒸汽两相流动数值研究发展的现状,以及西安交通大学TurboAero研究组在此方面的研究情况,以期对我国湿蒸汽汽轮机的设计以及湿蒸汽两相凝结理论的工程应用起到推动作用.     

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。     

平面叶栅中湿蒸汽两相凝结与流动问题的数值分析

汽轮机末级中存在大量汽液两相混合流动现象。通过对湿蒸汽流动过程的分析,以经典成核理论为基础,对平面叶栅中的湿蒸汽流动进行了模拟。计算结果显示了蒸汽凝结主要发生的区域及在整个流场中湿蒸汽的流动特征。通过对流场的分析及与实验数据的对比,表明所用计算模型及方法可以正确模拟湿蒸汽流动过程,为优化设计和减小冲击损害提供依据。     

湿蒸汽两相流动的非定常数值模拟

应用两相均质混合模型、湿蒸汽平衡相变模型以及双时间步长法,对某超临界汽轮机末级叶栅流场进行了全三维非定常的数值计算.计算结果表明:湿蒸汽流动与流场内的非定常特性密切相关,其定常计算结果与非定常的时均结果不相一致.由于动静叶干涉的影响,动叶栅出口由非定常计算得到的湿度值小于定常计算得到的结果.     

汽轮机内湿蒸汽流动特性的数值模拟

湿度对蒸汽轮机效率的影响及其对叶片的浸蚀作用极其复杂。为了研究蒸汽凝结对流动的影响,采用商用软件CFX-5数值模拟了某大功率凝汽式汽轮机末级的定常流动。虽然定常计算所采用的混合平面法不能精确预测导叶和动叶之间的相对运动而产生的诸如湍流脉动和尾迹涡流等不稳定流动对凝结过程和水滴的生长过程的影响,但是对这一过程的近似模拟是很必要的。     

三维湿蒸汽自发凝结流动的数值模拟

采用完全欧拉坐标系下的数值模型描述湿蒸汽两相自发凝结流动过程，对某汽轮机低压部分三维静叶栅中内复杂的自发凝结流动进行了模拟和分析。与忽略自发凝结的计算结果相比，叶片表面的压力分布有所不同，吸力面侧尤为明显；自发凝结的发生引起气流角的变化，直接导致作功能力的变化；由于流动参数沿径向分布不均，自发凝结引起的湿度沿径向分布也明显不同；计算结果同时显示边界层对自发凝结有很大的影响。     

汽轮机级内湿蒸汽二相流动与去湿研究

针对汽轮机通流部分湿蒸汽二相流动，探讨了水滴在汽轮机级内的流动规律，描绘了水滴运动轨迹。据此采取的级内去湿设计经实际运用证明有明显的去湿效果。     

Laval喷管内蒸汽凝结流动的数值研究

为了研究缩放喷管中湿蒸汽的自发凝结流动,对某Laval喷管中的几何参数及实验工况进行喷管中湿蒸汽凝结两相流动的三维数值模拟。通过以数值模拟结果结合部分工况的压力实验数据进行对比,讨论了喷管中蒸汽自发凝结流动的物理现象。     

汽轮机末级湿蒸汽凝结流动模型差异性研究

以汽轮机末级叶片为研究对象,采用计算流体力学方法对单流道几何模型进行数值计算,研究了湿蒸汽平衡与非平衡凝结流动模型之间的特性差异,并基于非平衡凝结探讨表面张力修正系数(NBTF)在定常分析中对湿蒸汽参数的影响。结果表明：非平衡凝结模型主要影响液滴数目及颗粒直径,速度场分布与平衡凝结模型有较大差异;基于非平衡凝结模型对表面张力进行修正的模型会降低级内热力学损失,总-静效率比未修正表面张力的原型增加0.16%,相较平衡凝结模型降低3.26%;在主频下,修正模型动叶所受轴向激励力相较于平衡凝结模型减少52.76%,切向激励力减少57.12%,但轴向力与切向力载荷均方根值分别增加1.59%和0.21%。     

低压汽轮机内湿蒸汽两相流测量

报道了作者近年来在低压汽轮机内湿蒸汽两相流测量技术方面的进展。由于湿蒸汽两相流中的 1次水滴、2次水滴和流场密切相关 ,作者研制了能同时测量 1次水滴、2次水滴和流场所有参数的集成化探针 ,并在 35 0MW和 2 0 0MW汽轮机上作了实测 ,得到了 1次水滴的尺寸和浓度 ,2次水滴的尺寸、速度和流动方向 ,以及流场的各参数     

基于双流体模型的湿蒸气凝结流动三维数值模拟

建立湿蒸气凝结流动的双流体模型,考虑了湿蒸气汽液两相流动中相间速度滑移、耦合以及湍流扩散作用的影响。针对蒸汽透平叶栅中流动的湍流特性,在单相湍流计算中数值模拟精度相对良好的两方程SSTk-ω湍流模型基础上,参照颗粒湍能输运方程理论,推导建立了湿蒸气两相流动SSTk-ω-kp湍流模型,模型中引入了液相粘性、导热及扩散系数等拟流体概念。对一直列叶栅中存在自发凝结的湿蒸气流动进行了三维数值模拟,结果表明:与中心截面相比,端壁附近汽流首先出现大量凝结核,并较早恢复到平衡状态,由于涡系结构的存在使得沿叶高汽液两相叶栅出口马赫数之间存在一定差异。本文建立的模型提高了湿蒸气凝结流动三维数值模拟的精度,更好地揭示叶栅中凝结流动的相间作用。     

汽轮机内湿蒸汽实验测量技术现状

为了研究汽轮机内湿蒸汽两相流的湿度、水滴的粒径和分布,以及水滴的带电特性,近年来国内外发展了一些新的测量技术,包括光散射法、微波法、电容法、图像法等。本文对这些新的测量技术作了较为全面的概述和介绍,对不同的测量方法进行了比较和分析,并对测量技术的发展进行了展望。     

湿蒸汽透平级水滴撞击动叶的频率及法向速度的研究

为了提高汽轮机湿蒸汽级叶片的可靠性,预防电厂中汽轮机叶片的水蚀疲劳断裂,建立了可求解动叶通道内湿蒸汽三维两相粘性可压缩湍流流场在旋转坐标系下的基本控制方程组,并将其应用于某汽轮机湿蒸汽透平级水滴运动的分析。给出了不同粒径水滴在动叶通道内的运动轨迹和单位撞击率。在此基础上详细分析了不同粒径水滴在动叶表面的法向速度分布。通过分析得出单位撞击率及撞击法向速度均高的“两高区域”为水蚀高发区。获得的相关定量数据为进一步研究液固撞击压力和动叶水蚀疲劳寿命提供了有力的依据。     

汽轮机中压排汽蜗壳的流场数值模拟比较

对两种不同结构的汽轮机中压排汽蜗壳流场进行了数值模拟,对其流动损失状况进行了比较分析,通过对比计算结果得出了流动损失产生的原因,为汽轮机中压排汽蜗壳的优化设计提供参考。     

大型汽轮机汽流激振研究现状及展望

分析和总结了大型汽轮机汽流激振的产生机理及特征。对国内外汽流激振研究概况作了介绍,并重点对效率系数β的取值进行了介绍和分析,认为β值与偏心、叶顶间隙、叶距、叶片进出β相对汽流角及升力系数等诸多因素相关,且取值跨度较大。从加大转子刚度、增大系统阻尼和减小汽流激振力等方面对汽轮机汽流激振的预防及消除措施进行了总结,最后从效率系数β的取值、非线性动力学问题的求解、汽封的形式、叶片激振力的优化及轴系稳定性等5个方面对大型汽轮机汽流激振的研究存在的问题及今后的研究方向做了展望。     

汽轮机叶顶间隙内非定常流动的数值分析

为了分析叶顶间隙泄漏涡的影响范围、运行轨迹和强度的变化规律,以某汽轮机高压级为研究对象,采用SSTκ-ω湍流模型,应用PISO算法对叶项间隙内的非定常流动进行了数值模拟．结果表明：叶顶间隙泄漏流是有规律的周期性的非定常流动,泄漏涡的影响范围、运行轨迹和强度随时间和叶顶间隙的变化而变化;泄漏流对主流的影响呈现出从弱到强、再从强到弱的周期性变化规律;叶顶间隙泄漏涡在丁／4时刻的强度和影响范围均达到最大,在T／2时刻,静叶脱落涡和动叶吸力面前部的泄漏涡混合形成新的涡系,而动叶吸力面后部的泄漏涡却与其边界层的脱涡混合,离开吸力面．     

蒸汽凝结对透平流动和几何参数的影响

给出了一种用于汽轮机级中有水滴凝出时的湿蒸汽处理方法,并采用准三维计算比较采用该方法与否对波动的影响。计算分析结果表明,考虑水滴凝出使工质流量变化对热力气动参数很大的影响,叶片设计应使出汽面积减少,最多达７％。     

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．