大型汽轮机低压排汽缸气动分析研究

低压排汽缸的气动性能影响汽轮机组的功率和效率。文章对单独排汽缸和汽轮机低压末级整圈与排汽缸耦合进行了数值分析对比,发现汽轮机末级动叶出口流场的不均匀性和强烈的预旋影响低压排汽缸的气动性能。高性能的低压排汽缸设计应该考虑末级与低压排汽缸流场之间的相互作用。     

汽轮机排汽缸性能分析和气动设计的研究进展

大功率汽轮机低压排汽缸的气动性能分析和设计对于提高机组的经济性具有非常重要的作用。低压末级与排汽缸间的相互作用以及排汽缸内的复杂结构导致排汽缸具有典型的非定常和非周期性的流动特性。介绍了排汽缸的基本结构特点,综述了国内外在排汽缸气动设计和性能分析方面的研究进展,给出了西安交通大学TurboAero研究团队在大功率汽轮机低压排汽缸全三维性能分析和气动设计方面的研究结果,最后讨论了大功率汽轮机排汽缸方面的研究展望。排汽缸气动性能的影响因素可概括为:末级动叶出口旋流、顶部间隙射流、动叶尾迹和排汽缸几何结构。排汽缸的气动性能研究需要耦合低压缸通流结构开展,充分考虑通流结构和排汽缸间的相互作用。     

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.     

侧向进汽对下游级组性能影响的数值研究

通过对某可调侧向进汽机组全三维流场计算分析发现:侧向进汽会导致下游级组扭矩和流量沿周向分布不均匀,在相同的进出口条件下,侧向进汽的影响级组通流能力明显减小,减少了11.9％,输出功率减少28.4％,效率降低18.8％;相同进出口流量条件下,动叶局部最大扭矩为均匀进汽的1.55倍左右,对叶片强度提出了较高的要求,效率降低17.9％.对侧向进汽机组的设计要充分考虑周向不均匀特性对机组气动性能的影响和对强度考核的要求.为侧向进汽机组通流设计提供了一定参考和指导方向.     

回热抽汽对上游级气动性能影响的数值研究

针对某型机组高压缸带有抽汽结构的两级叶栅流道,进行了考虑全周叶片通道的数值模拟,研究了抽汽系统对汽轮机内流动特性的影响。结果表明,抽汽对于上游级静叶流动的影响较弱,气动参数没有出现明显的周向不均匀性,但是对上游级的动叶气动参数沿周向分布的均匀性产生了明显影响,并降低了上游级的气动性能。     

正弯静叶和直叶静叶透平级气动性能的对比分析

对某汽轮机高压缸的正弯静叶级和直叶片静叶级进行了变速比的单级空气透平模拟级性能试验及数值计算,研究了级效率、反动度和流量系数等随速比的变化规律和某些级气动参数沿叶高的变化规律,并对正弯静叶级级效率提高的机理进行了分析.结果表明:正弯静叶级的级效率比直叶片静叶级提高2%以上,两者的反动度和流量系数略有差别;正弯静叶级级效率提高的原因是其静叶和动叶损失有较大下降,叶片的端部流动得到改善.     

涡轮叶片三维气动分析方法研究

精确的涡轮叶片气动性能计算是对其进行设计优化的重要基础。基于PRO/E软件建立了某涡轮流场叶片三维参数化实体模型,采用SST(shear stress transport)湍流模型对建立的涡轮流场叶片进行了三维气动分析,得到了流场及叶片表面的温度、压力、流速以及能量损失等气动参数分布,并对它们的变化规律进行了分析;基于叶片气动效率计算公式,给出了叶片平均气动效率的计算方法并分析了叶片气动效率沿叶高的变化规律,为涡轮叶片的气动设计优化奠定了较好的基础。     

增压级末级流路和末级静叶安装角优化设计

为了改善增压级流场特性、提升包括增压级在内的低压压气机部件的性能水平,本文开展了增压级末级流路和末级静叶安装角的优化设计。通过优化增压级末级动叶和静叶的进口马赫数,验证了末级流路大曲率变化特征对于叶片根部流场的影响;通过优化末级静叶的安装角,降低了内涵支板对上游流场的堵塞效应;在此基础上,实现了低压压气机部件性能水平的提升。三维数值求解结果表明,低压压气机部件设计工况的效率提升了0.30个百分点;末级静叶进口静压的最大值下降了约2 000 Pa,进口静压的周向不均匀性明显降低。本文的研究成果在大涵道比航空发动机压缩部件的气动设计中具有重要的工程应用价值。     

2.2MW四级串联式向心透平气动设计

使用Concepts NREC向心涡轮设计工具，结合CFD(Computational Fluid Dynamics)计算校核，实现了2.2MW四级串联式向心透平的气动设计。计算结果表明：各级向心透平动叶进口攻角处于-15.0°～-30.6°范围，动叶通道流场均匀无分离。各级动叶出口气流设计为轴向流出，通过级间流场光顺的转弯段，级后静叶前缘无明显攻角，表明各级动静之间流动匹配良好。最终整机在3.786kg/s的较小流量下，以92.2%的总总等熵效率实现了2.3MW的总输出功率。     

跨音轴流压气机气动设计与数值优化

介绍了带有进口导流叶片的三级跨音轴流压气机的气动设计与数值优化过程,气动设计采用准三维体系,包括一维平均流线设计、S2流面通流设计和任意中弧线叶片造型设计,并利用商用软件Numeca进行压气机流场分析.采用遗传算法结合人工神经网络的全局优化方法对第一级跨音动叶在多级环境下进行三维数值优化.结果表明:与优化前相比,优化后跨音级动叶叶尖的激波-边界层干涉损失明显降低,第一级动叶与三级压气机整机近设计点的绝热效率分别提高了0.87%和0.37%,压气机整机的质量流量、总压比、绝热效率和失速裕度均能够满足设计目标.     

动叶弯曲对双级轴流风机性能和噪声影响的数值研究

动叶周向弯曲是改善轴流风机气动性能和噪声特性的有效方案。以某600 MW机组配套的两级轴流风机为对象,采用Fluent软件对其进行三维数值计算,分析了动叶弯曲对风机性能和气动噪声的影响,及其内流特征的变化。结果表明：动叶正弯可有效提高风机性能,在设计工况点,动叶上半叶高弯角α₂=40°时全压最高提高232 Pa,α₂=20°时效率最大提高0.16个百分点;动叶弯曲可有效改善叶顶处的流动状态,减小流动损失;动叶弯曲使叶轮区总声压级明显降低,相比原结构,α₂=40°时第1级叶轮处总声压级降低5.87 dB,第2级动叶处总声压级降低2.46 dB,主要为单音噪声的降低;综合动叶弯曲对风机性能和噪声的影响,α₂=20°为最优方案。     

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。     

某汽轮机长叶片级静叶栅气动性能优化

采用NUMECA软件的软件包,对国产某单缸150MW汽轮机次末级(20级)进行了气动性能优化设计研究.通过优化静叶栅的三维外形,减小了动叶的分离区,改善了动静叶的气流角匹配,提高了该级的等熵效率.     

百万核电汽轮机低压排汽缸气动性能数值研究

以引进的AP 1 000核电汽轮机为例,建立了低压排汽缸的三维模型,考虑到进口参数受末级动叶出口流动的影响,采用了低压末级叶片和排汽缸联合计算的数值模拟方法,详细分析了排汽缸内部的复杂流动情况,分析了该排汽缸三维流动情况和总参数,为核电汽轮机低压排汽缸国产化提供了重要的指导意义。     

某型涡轮动叶气动性能的实验研究

在环形涡轮叶栅低速风洞上,对原型和改型两套动叶栅进行了不同冲角下的吹风实验。应用五孔探针与设置在叶片表面上的静压测孔,分别测量了叶栅出口横截面的气动参数沿节距与叶高的分布以及根、中、顶3个廻转面内静压系数沿叶型的分布。实验结果表明:与原型动叶比较,改型动叶总损失在-10°、-5°、0°、5°和10°5个进气冲角条件下分别降低了6.17%、4.73%、13.53%、19.34%和21.7%,而且具有良好的冲角适应特性。     

高速高载荷变转速汽轮机扭叶片优化设计及可靠性分析

为了完成高速高载荷系列工业汽轮机的低压级扭叶片的设计和应用,以常规驱动汽轮机叶片为原型,对其末三级扭叶片组进行了全三维气动性能分析;利用自适应差分进化算法对末三级叶片的型线和积叠规律进行了优化设计;然后根据常规强度计算结果,选择合适的材料并选择松拉筋配枞树型叶根的结构;最后采用有限元仿真软件对其进行了强度振动和动应力及疲劳分析。结果表明：优化后末三级叶片的气动效率提升约1.61%且强度满足要求;设计末两级动叶片时,优先考虑可靠性,其余级因其强度振动问题相对容易解决,优先考虑气动效率;末级叶片材料可能需要选择钛合金,而枞树型叶根是更可靠的叶根形式;选择抗弯模量大、厚度小的叶型搭配松拉筋有利于增加叶片刚度、减小叶片重量,从而为不调频叶片的设计提供参考。     

工业汽轮机调节级动叶气动性能优化与应用

随着计算机技术和计算流体动力学的发展,结合现代优化理论,采用全三维CFD方法进行汽轮机通流部分气动优化的工作得以实现。开展了工业汽轮机大负荷调节级叶型优化的工作。优化获得2个候选高效叶型A3_opt和A5_opt。在某台实例汽轮机机组上进行应用验证,结果表明:通流效率在广泛的负荷变化范围内均有提高,提高范围为1. 1%～5. 5%;随着调节级负荷的增加,调节级效率增益不断提高;在调节级负荷增大到一定程度后,随着调节级负荷的进一步增大,效率增益稍微降低。应用实例表明,所研究的优化方法、优化策略和优化获得的大负荷调节级动叶叶型是成功的。     

涡轮动叶变冲角气动负荷试验研究

在环形涡轮叶栅低速风洞上,对某型采用后部加载及正弯曲设计的高负荷动叶进行了静态吹风试验.应用五孔球型测针,详细测量了在3个冲角下由栅前至栅后7个横截面内气流参数沿叶高和节距的分布,同时对各冲角下9个不同叶高截面静压系数也进行了测量.试验结果表明,采用沿叶高改变吸力面最低压力点的后部加载叶型并结合叶片的正弯,能够在保持静压沿叶高分布均匀的条件下,显著降低端部横向压力梯度,增大主流区叶型的气动负荷.     

末级长叶片几何参数对汽轮机流场气动特性的影响

简要介绍了标准的准三维流动方法以及在汽轮机低压缸通流设计中的典型应用实例,探讨了末级长叶片的叶高、动静叶片喉节比、静叶扭曲规律、静叶倾角、动静叶轴向间距等几何参数对热力气动特性的影响,计算结果可作为低压缸通流部分优化设计的参考.     

低压缸切缸工况下流动与鼓风特性数值研究

为了研究低压缸切缸工况时机组的运行能力,以国内某电厂汽轮机低压缸为研究对象,建立低压缸单边八级叶栅单通道流场三维计算模型,分析不同入口流量下其内部流动结构和气动性能以及末级动叶的鼓风加热特性。结果表明：随着低压缸入口流量的持续减小,排汽出口和末级叶栅内会陆续出现排汽回流和汽流分离现象,并伴随有动叶入口的负攻角现象;当低压缸入口流量减小至1.19%额定流量时,工质做功无法弥补低压缸转子旋转耗功,低压缸整机无法输出功率;当低压缸入口流量降低至7.44%额定流量时,末级通道动静交界面靠近叶顶区域和末级动叶通道靠近叶顶区域出现局部高温区,出现切缸工况末级动叶的鼓风加热效应;同时,切缸工况下末级静叶鼓风加热温度抬高程度显著大于末级动叶,相较于额定工况末级静叶和末级动叶表面最高温度分别抬高了约10596%和71.91%。