基于热力学效应的迷宫密封封严机理数值研究

热力学效应的研究是揭示迷宫密封封严机理的关键。建立了三维迷宫密封热力学求解模型,推导了考虑热力学效应的密封泄漏量公式,研究了压比、偏心率、密封间隙对迷宫密封熵增与泄漏量的影响规律,从热力学效应角度分析了迷宫密封的流场特性与泄漏特性。研究结果表明:所建立的密封泄漏量公式能够反映热力学效应与泄漏量之间的关系;熵增反映了迷宫密封气体动能转换成热能的程度,热力学效应越充分,熵增的幅度就越小,密封性能越好。压比、偏心率和密封间隙是通过影响气体热力学效应来影响密封泄漏量的;泄漏量随压比和密封间隙的增大而增大,二者近似呈线性关系。随着偏心率的增大,密封封严性能降低,相比于转子同心工况,偏心率为0.9时泄漏量增大了6%。转子高速旋转下与气体摩擦产热所产生的功率耗散会引起气体温度升高。通过研究迷宫密封流场特性和能量耗散,从热力学效应角度进一步揭示了迷宫密封的封严机理。     

600MW汽轮机隔板汽封流场与汽流激振力的数值计算

通过建立600MW超临界机组隔板密封三维模型,应用Fluent软件模拟计算与汽缸同心的转子在有无旋转的情况下对隔板汽封蒸汽泄漏量的影响;研究了在转速3 000r/min,转子无偏心,进出口压力改变时隔板汽封蒸汽泄漏量的变化情况;并分析偏心距对泄漏量和汽流激振力的影响规律。计算结果与分析表明,进出口压比对迷宫密封性能的影响是随着进出口压比的增大泄漏量增大;偏心距增大泄漏量增大,同时汽流激振力也随之增大。     

高中压合缸汽轮机过桥汽封内泄漏流动的数值研究

基于ANSYS CFX,研究了某超临界600MW高中压合缸汽轮机过桥汽封内蒸汽的泄漏流动。分析了转子的旋转对过桥汽封漏汽量的影响,结果显示,转子的旋转将使过桥汽封处蒸汽的泄漏量略有降低;数值计算得到了不同工况下过桥汽封处的漏汽量,并与理论公式的计算结果和设计值进行了比较,结果表明:数值计算的结果略大于理论公式的计算结果和设计值,且3种结果都显示过桥汽封处的漏汽量将随着负荷的增加近似呈线性增长的变化趋势;此外,不同负荷条件下,高压缸进汽侧汽封漏汽量与主蒸汽流量的比值和中压缸进汽侧汽封漏汽量与再热蒸汽流量的比值都基本为一定值。     

动静态下汽封间隙对汽封性能的影响研究

应用Fluent软件,采用SIMPLE算法、RNG k-ε双方程紊流模型和有限体积法离散N-S方程,对动静状态下汽封内的三维流场进行了数值模拟。结果表明:在汽封间隙内部的泄漏流动中,黏性作用是不占主导地位的。间隙值越大,漏泄现象就越严重。转子旋转效应的影响存在于近壁区内,但汽封间隙变化对漏汽量的影响要远大于旋转效应所产生的影响。不同间隙下转速对间隙内流场的流线存在一定的影响,汽封间隙较小时漏汽平均速度受转子转速的影响要大一些。     

迷宫密封流场和泄漏量的数值分析与研究

应用Fluent计算软件采用标准k-ε湍流模型求解迷宫密封三维流场,研究了涡动转子在不同压比和偏心位移下密封腔室内的流场特性.进一步讨论了转子涡动速度、进出口压比和偏移位移对迷宫密封泄漏量的影响.研究发现,涡动速度越大对密封泄漏量的影响也越大,随着涡动速度的增加密封泄漏量降低;不同的进出口压比使密封中流体的轴向流速不同,当轴向流动速度达到跨音速以上时,密封泄漏量特性发生明显变化,此时密封泄漏量达到最大;密封转子的径向偏移量会增加密封的泄漏量.为了能在工程实际中更快更好地计算迷宫密封泄漏量,进一步修正和完善了Egli密封泄漏量经验计算公式,完善后的计算公式对迷宫密封工程设计及运行具有一定的意义.     

转子轴向位移对迷宫密封泄漏特性的影响

采用数值求解三维雷诺平均的N-S方程的方法,研究了透平机械的转子轴位移、汽封密封压比对典型迷宫密封泄漏特性的影响规律。在定转速、定密封间隙情况下计算典型迷宫密封在6种密封压比、4种轴向位移距离下的泄漏特性。研究结果表明:在所分析的工况下,转子轴向位移对泄漏量具有较大影响;位移距离小于1mm时,泄漏量随位移的增大而增大;位移距离大于1mm时,泄漏量随位移的增大而减小。在迷宫密封泄漏量Egli计算公式的基础上,通过引入修正系数修正转子轴向位移对迷宫密封泄漏量的影响,构建了新的预测迷宫密封在转子发生位移时泄漏流量的计算公式,并进行了数值验证。研究结果可为迷宫密封轴向间隙的设置提供参考。     

150 MW汽轮机高压缸级内流场的数值模拟

采用Numeca软件对带隔板汽封和叶顶间隙汽封的高压缸二、三级叶栅流动进行了数值模拟,并与不带汽封的二、三级叶栅流场进行了比较.结果表明,汽封泄漏损失使级效率显著下降,汽封出口处的低能流体使端壁的附面层变厚,端壁摩擦损失增大;隔板汽封出口处的气体周向速度较小,导致了较大的负攻角流动,它与下排叶栅的横向流动相结合大大促进了下通道涡的发展.     

汽轮机叶顶汽封间隙内的流动损失分析

为了揭示叶顶汽封结构变化对泄漏损失的影响,提高汽轮机运行效率,数值研究了平齿汽封、高低齿汽封和侧齿汽封3种不同叶顶汽封结构下汽轮机高压转子间隙泄漏的流动形态、间隙涡系的形成机理和发展规律,研究表明:在叶顶汽封腔室复杂的周向螺旋状的涡动中,泄漏流体的周向速度是影响漩涡耗散的一个重要因素;高低齿及侧齿的汽封结构可以增强漩涡之间的相互作用,降低泄漏流体的周向速度,使漩涡在腔室内的耗散更加充分;由于掺混损失降低,高低齿及侧齿汽封的泄漏总损失较平齿汽封相比分别下降7.1%和9.8%。     

关于蒸汽涡动的设计考虑

汽轮机内有两种由漏汽引起转子涡动的激振力：作用在转子上的不平衡扭矩和在汽封内部静压沿周向的变化。对前一种力结合转子和轴承参数进行了详细的分析，给出了计算步骤和稳定性判据。对后一种力提出了解决稳定性的设计规则。     

实际气体参数对迷宫密封静力与动力特性影响机理研究

理论分析了考虑实际气体参数的迷宫密封泄漏量计算公式与流动控制方程,基于转子多频椭圆涡动方法研究了不同气体介质对迷宫密封静力与动力特性的影响,揭示了实际气体参数对迷宫密封静力与动力特性影响的机理。结果表明:气体摩尔质量对迷宫密封的泄漏量呈正相关影响;在相同转子涡动频率下,随着气体摩尔质量的增大,主刚度系数、主阻尼系数和交叉阻尼系数的绝对值逐渐增大;密封气流力随着气体摩尔质量的增大而增大,CO2介质密封气流力是CH4介质密封气流力的1.63倍;随着转子涡动频率的增大,气体摩尔质量对有效阻尼系数的影响从惯性效应转移到摩阻效应,有效阻尼系数随着气体摩尔质量的增大在低频时增大、在高频时减小。     

基于FLUENT的某型燃气轮机迷宫密封机理研究

针对影响透平机械中旋转迷宫密封泄漏特性的3个因素:密封间隙、压比、转速,以某型燃气轮机的隔板迷宫密封为研究对象,数值研究了各个因素对迷宫密封泄漏特性的影响规律,计算分析了该迷宫密封在不同工况下的泄漏特性。研究结果表明:随着转子转速的增加,迷宫密封泄漏量减小;相同密封间隙下,泄漏系数随着压比的提高而近似线性增加;相同转速下,泄漏量随着密封间隙的减小而减小,且泄漏量减小的速度越来越慢。     

气流激振力作用下碰磨转子的分叉现象

采用超超临界压力是提高汽轮机热效率的重要途径。随着蒸汽参数的提高,作用在转子上的激振力将显著增大,使得机组发生气流激振的可能性远远大于亚临界机组,因此有必要对气流激振作用下转子的非线性动力学特性加以研究。本文采用双控体模型来计算气封腔内的蒸汽对转子的激振力,分析了气流激振力作用下的碰磨转子的分叉特性。着重讨论了输入气压、密封间隙及转子转速等决定气流激振力大小的因素对碰磨转子分叉特性的影响。研究结果表明,气流激振力将明显抑制碰磨转子的拟周期运动。这种抑制作用随着输入气压的升高、密封间隙的减小而增强。     

变工况下高低齿迷宫密封泄漏特性及结构优化

高低齿迷宫密封是透平机械中抑制流体泄漏的关键部件。以某机组隔板密封为对象建立高低齿迷宫的计算流体力学(CFD)模型,研究由变工况引起的转子轴向偏移对密封泄漏特性的影响,并通过调整转子凸台宽度和密封腔高度对密封结构进行优化。结果表明:原始结构设计下,转子轴向偏移±3 mm内,泄漏量并未发生大幅度的上升;在-2~1.5 mm范围内泄漏量有所下降,说明在工况变动不大时,密封性能有所提高,但超出±3 mm的范围,泄漏量呈突增趋势;泄漏量分别随转子凸台宽度和密封腔高度呈二次非线性变化,存在一个最佳值使泄漏量达到最小,最佳凸台宽度和密封腔高度分别为5.13和7.5 mm;结构优化后密封泄漏量在正常工况及变工况下均小于原始结构,密封性能得到提高。     

高速齿轮箱迷宫密封流场和泄漏特性的数值研究

以某型大功率机车传动齿轮箱轴端迷宫密封为研究对象,建立错齿式迷宫密封的数值仿真模型。通过分析迷宫密封的密封机理和对泄漏量的影响因素,确定了数值模拟的边界条件。应用Fluent软件,求解N-5方程和能量方程,模拟迷宫密封腔内流场分布及泄漏特性,研究转速、压比和密封齿隙对泄漏特性的影响规律。研究结果表明：随着进出口压比的增加,泄漏系数先快速增加后趋于平缓;转速对泄漏系数影响很小;泄漏系数与齿隙呈分段线性关系。     

考虑摩擦热效应的刷式密封性能仿真研究

建立包含转子的刷式密封三维理想切片模型,通过商用ANSYS系列软件计算了不同工况条件下刷式密封与转子的温度场分布情况,在热分析基础上进行了刷式密封热-结构耦合分析.结果 表明:随着上下游压差增大,刷式密封泄漏量逐渐增大,刷式密封泄漏量随着转子转速的增加呈微弱的下降趋势;在工作开始阶段的温升过程中,刷式密封的最高温度随着...     

Modeling turbine wakes and power losses within a wind farm using LES: An application to the Horns Rev offshore wind farm

A modeling framework is proposed and validated to simulate turbine wakes and associated power losses in wind farms. It combines the large-eddy simulation (LES) technique with blade element theory and a turbine-model-specific relationship between shaft torque and rotational speed. In the LES, the turbulent subgrid-scale stresses are parameterized with a tuning-free Lagrangian scale-dependent dynamic model. The turbine-induced forces and turbine-generated power are modeled using a recently developed actuator-disk model with rotation (ADM-R), which adopts blade element theory to calculate the lift and drag forces (that produce thrust, rotor shaft torque and power) based on the local simulated flow and the blade characteristics. In order to predict simultaneously the turbine angular velocity and the turbine-induced forces (and thus the power output), a new iterative dynamic procedure is developed to couple the ADM-R turbine model with a relationship between shaft torque and rotational speed. This relationship, which is unique for a given turbine model and independent of the inflow condition, is derived from simulations of a stand-alone wind turbine in conditions for which the thrust coefficient can be validated. Comparison with observed power data from the Horns Rev wind farm shows that better power predictions are obtained with the dynamic ADM-R than with the standard ADM, which assumes a uniform thrust distribution and ignores the torque effect on the turbine wakes and rotor power. The results are also compared with the power predictions obtained using two commercial wind-farm design tools (WindSim and WAsP). These models are found to underestimate the power output compared with the results from the proposed LES framework.     

凹变翼型对风力机气动性能影响的实验研究

为改进课题组自行设计某S型翼型结构,提高300 W小型水平轴风力机气动性能,本课题重点研究翼型吸力面凹变对风力机气动性能的影响.利用二阶迎风格式、S-A湍流模型数值模拟方法及内蒙古工业大学风能太阳能利用技术教育部重点实验室检测设备,探究风力机在3种定常风速、9种叶尖速比共27种工况下风轮的功率系数、功率、转矩等气动参数...     

单向特斯拉环形密封泄漏控制方法研究

针对透平机械动静间隙工质泄漏问题,提出新型单向特斯拉环形密封,建立特斯拉环形密封三维模型,采用计算流体力学方法研究特斯拉喷嘴几何结构(轴向数量、分流角、回转直径、喷嘴直径)与运行参数(压比、转速)对密封泄漏特性的影响。结果表明：特斯拉环形密封可以有效降低密封出口流速,抑制密封泄漏,最高可使泄漏量降低15.7%;高压比、高转速下特斯拉环形密封抑制泄漏效果更佳;轴向数目和喷嘴直径都存在一个最佳值,使特斯拉环形密封出口流速最小,泄漏量最低;随分流角减小,特斯拉环形密封出口流速与泄漏量减小;回转直径较小时,对特斯拉环形密封出口流速与泄漏量影响小,但超过喷嘴直径2倍后会使出口流速与泄漏量小幅回升。     

Flow analysis and performance improvement of a radial inflow turbine with back cavity under variable operation condition of compressed air energy storage

Radial inflow turbine is an important working output device in compressed air energy storage (CAES) system. It influences the system's efficiency significantly. However, the investigation about effect of back cavity leakage flow on flow loss in radial unshrouded rotor is still needed, especially under variable operation condition of CAES system. Therefore, the performance of radial turbine with back cavity at different total expansion ratio is revealed in the present work. Results illustrate that the variation of labyrinth seal clearance in the original back cavity has limited impact on the leakage flow and the isentropic efficiency. The isentropic efficiency only reduced by 0.11%, and the leakage flow rate is only increased by 0.017 kg/s when labyrinth seal size varies from 0.09 to 0.20 mm. The fluid in back cavity intends to leak into the rotor channel and causes more flow loss; the isentropic efficiency under different total expansion ratio is thus decreased, and a maximum isentropic efficiency reduction of 1.5% is obtained when total expansion ratio is 2.89. To control the flow loss, a “rotor‐back cavity seal” is proposed, and a maximum isentropic efficiency increment of 1.12% is achieved when total expansion ratio is 2.89.