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。     

周向弯曲方向对弯掠叶片小流量工况下气动-声学性能的影响

对周向弯曲低压轴流风扇的气动-声学性能进行了数值模拟和试验验证,讨论了不同流量和不同周向弯曲方向对叶栅做功能力、稳定工作范围和叶顶泄漏声源特性的影响规律.结果表明:随着流量减小,周向弯曲使叶栅叶顶区域栅的气流轴向做功能力增强,周向做功能力减弱,叶片负荷减小,周向后弯的效果最明显;周向前弯曲改善了端壁附近的流动状况,是拓宽叶轮的稳定工作范围的重要因素;周向弯曲可增加叶顶泄漏涡的稳定性,减弱叶顶泄漏涡区的Powell声源强度,周向前弯效果最好.叶顶泄漏声源特性随流量变化的规律与宏观声学表现一致.     

跨声速压气机转子叶顶区域流场非定常计算和POD分析

采用时间精确求解法对跨声速轴流式压气机转子NASA Rotor35单流道进行了三维非定常数值模拟,研究了叶顶区域流场的时间非定常波动特性。将叶顶区域流场的非定常解作为快照,采用本征正交分解(POD)方法提取POD模态,进一步分析了叶顶近失速点流场的流动特性。结果表明:在近峰值效率点的大质量流量工况下,叶顶区域流场呈现出稳定性,基本不发生随时间波动的特性;在近失速点的小质量流量工况下,叶顶区域流场呈现周期性的波动特性,由激波与叶顶间隙泄漏涡形成的破碎、通道中部未形成泄漏涡的相邻叶片泄漏流流线以及来流一起形成的叶顶二次涡是叶顶非定常周期性波动形成的必要条件。     

小容积流量下汽轮机末级叶片流场特性分析

借助商用计算流体动力学软件CFX,选择入口质量流量不变,改变出口背压的方式,对不同容积流量下某大型汽轮机低压缸末级进行了全三维黏性定常流动的数值研究,全面分析了低压缸末级的流动特性。结果表明:在背压10k Pa(相对容积流量k=0.52)下,末级动叶10%叶高截面受逆压梯度的作用,在吸力面近尾缘区域开始发生流动分离,并随着流量的进一步减小,逐渐发展形成回流涡。背压升高到15k Pa(k=0.36)时,负攻角首先导致末级动叶50%叶高截面前缘区域发生流动分离,随着流量的进一步减小,流动分离产生的涡逐渐增大;90%叶高处由于扭转角度较大,负攻角的作用一直不大,但是压力升高到25k Pa(k=0.23)时,开始受到静叶扩压和动叶离心力产生的叶顶涡的影响,流场比较混乱。从15k Pa(k=0.36)开始,由于静叶扩压和动叶离心力影响,动静叶叶顶出现漩涡,后随压力升高逐渐增大,同时由于动叶旋转离心力造成的径向压力梯度,叶根尾缘区域也出现漩涡,并随压力升高向流道前部发展。     

机匣处理对子午加速轴流风机扩稳的机理研究

为揭示叶顶间隙泄漏流动的演变趋势以及前置凸台机匣处理对风机的扩稳机理,采用CFD方法对风机内部流场进行了数值计算,获得了叶顶间隙泄漏流与风机非稳定工作状态的关联及前置凸台机匣处理通过控制主流和叶顶泄漏流,提高风机稳定工作范围的机理。结果表明:随着流量的减小,叶顶间隙泄漏流与主流的交界面不断向上游移动,叶顶间隙泄漏流在叶顶通道内造成的流动堵塞不断扩大,最终导致该风机进入非稳定状态;在小流量时前置凸台机匣处理通过对主流阻挡使部分叶顶泄漏流绕过叶片前缘在相邻流道内往下游流动,减小下游的阻塞区域,从而对风机内部的流动起到一定的稳定作用。     

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%。     

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．     

某高转速汽轮机末级流场分析及通流优化

采用数值计算的方法,对某高转速汽轮机末级通流进行了流场分析,得到以下结论:叶顶区域产生了二次流及集中涡系,尤其是12级静叶叶顶区域产生了明显的通道涡、壁角涡;叶根、叶顶区域产生了明显的激波;不同攻角特征造成叶片壁面出现贯穿叶根、叶顶的流动分离,尤其是压力面流动分离使叶片入口产生负压区。通过上述分析,得到如下优化方法:确定11级静叶的最优安装角为50.5651°;增加11级叶片中径、增加11级与12级级间的轴向距离相结合的方法,以减小涡系强度。     

汽轮机叶片正弯对叶顶间隙泄漏流动影响的数值模拟

以某汽轮机高压级动叶为研究对象,采用κ-ε湍流模型,应用SIMPLEC算法对在相同叶顶间隙高度下的常规扭叶片和正弯扭叶片的叶顶间隙流动进行了数值模拟。研究结果表明:与常规扭叶片相比,叶片正弯提高了汽流在叶顶区的最低压力值,减小了叶顶压力边与吸力边的横向压力梯度;汽流在正弯扭叶片吸力面附近形成的泄漏涡的影响范围和对通道主流的扰动弱于在常规扭叶片内形成的影响;正弯扭叶片使汽流在吸力面和压力面上形成了叶顶部正径向压力梯度、叶根部负径向压力梯度的"C"型压力分布,同时降低了叶片上端部附近的总压损失。叶片正弯既降低了叶顶泄漏损失,又降低了叶栅通道内的掺混损失。     

小容积流量下汽轮机末级流场涡流特性研究

随着火电机组灵活性深入,汽轮机组深度调峰成为研究重点。汽轮机组深度调峰将使末级叶片长时间工作在小容积流量工况下,对末级叶片的运行安全有重要的影响。应用计算流体动力学软件CFX计算末级流场,应用速度三角形理论算法进行验证,分析了小容积流量工况下汽轮机末级流场的涡流特性。结果表明:20%设计工况下(0.20DCF),末级达到鼓风工况。鼓风工况下,末级通道存在由分离涡、回流涡、动静间隙涡组成的涡系。分离涡位于动叶压力面,回流涡位于动叶吸力面尾缘根部,动静间隙涡位于动叶和静叶顶部间隙处。随流量减小,涡流区域均增大。小容积流量工况下动叶出口和静叶出口先后产生逆压区,逆压区是回流涡和动静间隙涡形成的根本原因。负冲角是分离涡形成的根本原因,而在叶片顶部,由于大的扭转角,流动分离减弱。     

周向弯曲方向对NACA65翼型轴流叶轮叶顶间隙流动影响

本研究采用三维气动设计方法设计了具有NACA65-810翼型的直叶轮、周向前弯和周向后弯叶轮,并采用计算流体力学软件模拟其气动性能,分析了压力峰值工况和设计工况下3个叶轮叶顶泄漏流和泄漏涡的空间发展和叶顶间隙部分静压损失以及熵分布。结果表明:直叶轮引入周向前弯后,叶顶泄漏流的卷吸能力降低,泄漏涡起源位置向远离叶片前缘的方向迁移,泄漏涡涡心径向高度得到了保持,降低了叶顶泄漏涡与主流的干涉作用;引入周向后弯后,泄漏流的卷吸能力增强,泄漏涡的起源位置向靠近叶片前缘的方向迁移,远离叶片前缘的涡心径向高度显著降低,涡核下游弥散范围扩大,增强了叶顶泄漏流与主流的干涉作用,不利于降低叶顶泄漏损失。     

极低负荷工况下单缸核湿汽轮机末三级流动特性分析

基于Bladegen-Turbogrid实体叶片参数化建模方法与叶栅流道结构化网格划分方法,采用两相均质数值模型与湿蒸汽平衡相变模型,对不同容积流量工况下船用核动力湿汽轮机末三级进行了全三维定常数值计算,重点分析了极低负荷工况下湿汽轮机末三级的流动特性.结果表明:随着容积流量的降低,湿汽轮机末三级级内蒸汽流动紊乱度增加...     

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。     

扭叶片正弯对叶栅通道内二次流动影响的数值分析

以某汽轮机高压级动叶为研究对象,采用κ-ωSST模型、SIMPLEC算法数值模拟了正弯扭叶片叶顶间隙泄漏涡的形成和发展过程及其对叶栅通道二次流的影响。结果表明:相对于常规扭叶片,汽流在正弯扭叶片吸力面附近形成的泄漏涡的影响范围和对通道主流的扰动变小,且叶顶间隙的增加削弱了正弯扭叶片吸力面的"C"型压力梯度,使得叶片两端部附面层厚度增加,造成了叶片端部损失的增大。     

叶片切向倾斜对大功率汽轮机低压级组小容积流量下沿叶高脱流特性的影响

本文分析了末级静叶前倾，后倾及弯曲对大功率汽轮机低压级组小容积流量下脱流特性的影响。分析了２００ＭＷ空冷汽轮机的低压级组的气动特性，数值实验表明，叶片的倾斜对末级脱流的相对高度有较大的影响。     

汽轮机低压缸末级非定常流动的数值模拟

采用商用化计算流体软件CFX对某汽轮机低压缸末三级和排汽缸的耦合流道进行数值模拟,获得不同质量流量下的内部流动数据。在25%设计流量下,叶片受到两种形式的气动激励。通过非定常的数值模拟,验证了整圈定常计算对非定常汽流力的预测能力以及气动激励的存在形式。     

汽轮机湿蒸汽级叶顶间隙泄漏流动的数值研究

以某大型汽轮机低压缸末级为研究对象,对不同进口流量下的动叶叶顶间隙泄漏流动进行了数值模拟,分析了其流场特性以及流量大小对泄漏损失的影响.结果表明:动叶压力面与吸力面都存在着明显的分离流动.在压力面处,随着进口流量的减小,分离流体产生的位置从60％叶高处变化至45％叶高处;在吸力面处,叶片根部形成了与分离流体旋向相反的通...     

轴向间距对两级轴流风机失速先兆的影响机制

基于节流阀函数以及SSTk-ω湍流模型,对某电站两级动叶可调式轴流风机的非定常失稳过程进行数值模拟,分析了3种轴向间距对风机失速先兆起始位置、表现形式以及失速三维非定常演化过程的影响机制.结果表明:风机稳定运行范围随着轴向间距的缩短得到拓宽;不同轴向间距下,第二级动叶内首先出现失速先兆,且失速先兆表现形式相同,均为突尖型;轴向间距增大时,失速先兆从第二级动叶传播至第一级动叶所用时间增加;轴向间距对叶顶间隙分离涡的产生具有重要影响,轴向间距较小时,分离涡主要由相邻流道的泄漏流绕过尾缘附近反向流入流道并与主流相互作用形成,轴向间距较大时分离涡的形成主要与叶顶间隙的泄漏流有关.     

跨声速轴流压气机失速特性研究

为研究跨声速轴流压气机失速特性,采用节流阀门模型使跨声速轴流压气机Rotor35进入数值失速,得到了失速过程中的内部流场,捕捉到了失速团从产生到发展壮大的过程,发现失速起始于叶片顶部,逐渐向轴向、径向和周向发展,失速团绕着旋转轴以低于转子转速同方向旋转。通过对比不同时刻的流场特征,压气机进入失速时在转子的叶顶区域流场同时发生了"前缘溢流"和"尾缘回流"的现象。叶顶间隙泄漏流与叶片吸力面分离流形成的流道分离涡的不断发展扩大,最终使压气机完全失速。     

端壁相对运动对压气机叶栅间隙流场影响的数值模拟

压气机端壁与叶片间的相对运动是影响叶顶间隙气流流动的重要因素.采用数值模拟的方法考察了端壁运动对不同叶顶间隙压气机叶栅内三维流场的影响.结果表明:端壁相对运动改变了叶栅间隙流场结构,叶栅通道内出现向相邻叶片压力面运动的刮削泄漏涡,上通道涡及叶顶分离涡受到抑制,叶尖负荷增大,间隙泄漏流量增加,叶栅总损失由于叶顶区掺混损失减少而减少.