汽轮机转子半锥形涡动的密封汽流激振及动力特性

为探究转子半锥形涡动时密封汽流激振及动力特性,采用FLUENT用户自定义函数和相对旋转模型实现1000MW机组转子的锥形涡动,展现了半锥形涡动时汽流激振特征,并通过快速傅里叶变换得到密封动力特性,分析了半锥形涡动下转子的动力稳定性。结果表明:转子半锥形涡动时,动力系数波动显著。kzz与kyy的绝对值是平行涡动的4倍。直接阻尼czz和cyy发生相反的变化。交叉刚度kzy与kyz均减小,激振力Fz在切向上的作用增强。交叉阻尼在25Hz后相对变化小于35%。锥形涡动对稳定性影响随涡动频率的增加显著增强,不利于转子稳定。密封内湍流效应增强、齿顶射流改变和涡系在空间上的演化会加剧密封内部压力的波动和不均,扩大汽流激振影响,导致转子稳定性降低。     

基于反旋流的密封气流激振抑制方法及结构参数设计

梳齿密封因其结构简单、方便维修及使用寿命长等特点被广泛应用于各类透平机械,反旋流装置可通过影响密封腔室内周向流动,减弱螺旋形效应引起的气流激振问题,提高密封系统稳定性。建立反旋流梳齿密封三维数值模型,计算分析不同结构参数下反旋流喷嘴对密封动力学特性影响。结果表明：反旋流喷嘴倾斜角度越小,系统阻尼越大、稳定性越高,当倾斜角度为30°时,有效阻尼为垂直角度入射时的4倍;反旋流喷嘴形状对密封动力特性及流动特性影响较小,2种喷嘴孔型交叉刚度均为负值且低频下二者交叉刚度差值约为5 k N/m、高频下约为1～2 k N/m;喷嘴数目越多,越能够抑制转子周向流动,利于系统稳定。     

袋型阻尼密封动力特性分析及对转子稳定性的影响

密封动力特性对透平机械转子系统稳定性影响较大。文中应用非定常动网格技术建立了考虑转子涡动的袋型阻尼密封动力特性求解模型,在验证求解模型准确性的基础上,比较分析了转子涡动频率、涡动振幅对传统迷宫密封和袋型阻尼密封动力特性的影响,基于密封气动功方法定量分析了袋型阻尼密封的抑振机理。研究结果表明:与传统迷宫密封相比,袋型阻尼密封的周向隔板降低了密封腔内气流的周向速度,其泄漏特性与传统迷宫密封相当;在所研究的工况下,袋型阻尼密封指向转子涡动中心的径向气流力以及与转子涡动速度方向相反的切向气流力均大于传统迷宫密封,有效地降低了转子涡动振幅和涡动速度;与传统迷宫密封相比,转子涡动频率和涡动振幅越大,袋型阻尼密封气动功的绝对值越大,抑振效果越好。     

汽轮机转子动力特性的多因素分析及稳定性预测

针对汽流激振对汽轮机转子动力特性和稳定性的影响,文中应用动网格建立三维转子涡动模型,通过正交试验完成汽流激振下转子动力特性的多因素分析,得到影响动力系数的显著因素。利用频率涡动比和有效阻尼研究了显著因素对转子稳定性的影响规律。结果表明:涡动转子表面压力波动剧烈,汽流激振力呈非线性变化;涡动速度、自转速度、涡动半径、压比以及交互作用对转子动力特性均有一定的影响,其中涡动半径、涡动速度和压比对转子动力系数有较大的影响,而自转速度的影响较小;当涡动速度在1500~3000r/min之间,转子失稳的可能性增加。若涡动半径增加,控制涡动速度会抑制大幅低周涡动,可避免转子失稳。     

密封结构对汽轮机转子动力特性的影响分析

针对汽轮机汽流激振诱发转子失稳问题,利用动网格技术实现转子多频涡动,对不同密封结构的转子动力特性及稳定性进行研究。基于正交试验法分析了多结构参数对转子稳定的影响程度。结果表明:密封齿数、凸台数量和密封齿长均影响动力系数在频域上的变化规律。随着密封齿数的增多,直接刚度kxx增大而直接阻尼cxx减小。随凸台数量和密封齿长的增加,直接刚度kxx和kyy减小,而直接阻尼cxx随凸台数量的增加而增加。涡动频率高于45Hz时,密封齿数对转子的稳定性影响降低。密封齿数对平均有效阻尼影响较小,在低频范围内影响较大。密封凸台数量、密封齿长度和二者交互作用对转子稳定裕度影响较大,三者的贡献率分别为31.53%、21.51%和23.48%。减少齿数或添加凸台有利于汽轮机转子稳定。     

基于不平衡同频激励的密封动力特性系数识别

针对传统频域识别密封动力特性系数方法存在的问题,提出利用转子不平衡实现同频激励,在2组不平衡状态下构建4个独立方程,建立密封动力特性系数识别模型。在密封试验台上研究了转子不平衡、转速、进出口压比等因素对密封动力特性系数的影响。试验结果表明动力特性系数中直接项系数相近,交叉项大小相同,符号相反。随着进出口压比和转速的增大,8个密封动力特性系数都增大,直接刚度项增大幅度较交叉刚度项更为明显,直接阻尼项增大幅度与交叉阻尼项接近。同时发现相对振动大小对动力特性系数影响并不大。对影响动力特性系数识别精度的因素进行了分析,提出了试验转速、不平衡工况的合理选择方法。     

超临界二氧化碳涡轮转子非线性涡动的密封动力特性EI北大核心CSCD

超临界二氧化碳涡轮密封具有较强的气动特性和转子非线性运动特征,为探究密封气动作用对转子运动的影响,该文通过Fluent用户自定义函数和四阶Runge-Kutta构建转子-密封的非线性涡动模型,实现转子非线性动力学与密封流场的联合求解,得到转子受密封气流激振力作用下自由涡动的动力特性,揭示密封气流激振对转子失稳的作用过程。结果表明:不平衡质量力和转子弹性恢复力会使得转子运动呈现弧状的螺旋运动。密封的气体动压作用导致发生转子横向偏移。密封气流激振力呈现带状分布,在工作转速形成明显的振幅,动力系数波动幅度较大。不平衡质量力和气流激振力使得密封有效阻尼较低,更容易发生运动失稳。     

泄洪洞内具有阻塞与扩散段的水平旋流消能方式水力特性的试验与数值模拟(2)

本文采用Realizable k-ε双方程紊流模型和VOF法,并结合模型试验,对水平旋流复合式内消能泄洪洞的流速分布、旋流角、湍动能、耗散率、以及消能率进行了分析和计算。结果表明:起旋室段存在径向速度,切向入流条件较差;轴向流速沿径向呈对称分布,最大值靠近洞壁;切向流速沿径向呈反对称分布,最大值靠近气水交界面,可视为组合涡分布;旋流角在起旋室段与阻塞扩散段变化较大,中间旋流洞段变化较平缓;紊动能、耗散率在起旋室出口附近及阻塞扩散段较大;计算总消能率约为83%,其中竖井段、旋流洞段和阻塞扩散段各占4.58%、28.45%和49.51%。旋流阻塞的设置不仅减小了旋流洞内发生空化空蚀的可能性,而且增大了洞内消能率,提高了适用水头。     

燃气涡轮发动机预旋系统温降和功耗的作用机制与理论分析

涡轮预旋供气系统内转-静盘腔和转-转盘腔的功热转换性能直接影响涡轮旋转动叶的高温热防护。文中重点开展理论分析,揭示预旋供气系统温降和功耗二者性能指标的关联机制。理论推导结果发现,系统无量纲温降和无量纲功耗特性与旋流恢复系数、预旋半径比、预旋喷嘴出口速度系数及转子马赫数变量的函数关系呈现强关联。基于能量守恒定律,系统无量纲功耗随无量纲温降增大而线性减小;当系统温降越高时,则系统功耗越低。绝热条件下,随着预旋喷嘴出口速度系数增大、转子马赫数减小,系统无量纲温降和无量纲功耗分别呈现增大和减小的趋势。因此,温降和功耗的关联机制可以有效评估预旋供气系统性能设计的优劣。     

回热抽汽对前后级总体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,指出抽汽对抽汽点上游级的影响大于对其下游级的影响。抽汽使得上游级动叶进口汽流冲角向负值移动,动叶后压力降低,同时降低了下游级接近抽汽管的流道前半部分的静压。     

电机内推力轴承泵送流体循环的数值研究

本文采用ANSYS开展了推力轴承泵送流体在电机内循环流动的流场-多孔介质场的耦合数值研究。其中,湍流流动采用Navier-Stokes控制方程和RNG k-ε湍流模型,多孔介质内流动采用基于Ergun方程的数学模型。研究发现,转子与多孔介质两者间隙流体成螺旋形流动,此间隙流量约为多孔介质区域内流量的0.071%;预测到了推力轴承泵径向流道间的进口处的轴对称漩涡,其旋向与轴转向相同。同时,结果表明推力轴承外流场存在强环流;也很好地预测了两处滑动轴承前后的Taylor涡,以及电机动静转子间隙流入口处的失紊湍流Taylor涡对。预测结果表明,复杂几何结构内的漩涡比较复杂,相应引起的耗散比较大,尤其,推力轴承与滑动轴承间的压力损失很大,可考虑这些相关几何参数和结构的优化。     

旋转型行波超声电机中三维接触机理的研究

通过分析旋转型行波超声电机接触界面上的相对运动趋势和动力传递机理,指出定、转子存在径向滑动的现象,由此建立了考虑径向滑动的三维接触模型,并提出描述径向滑动趋势大小的指标——摩擦角,在此基础上结合定子与转子的动力学描述得到了整个电机的数学模型。文章通过仿真得到了界面上切向接触作用力的分布规律和滑动摩擦导致的能量损失情况,分析了径向滑移对电机输出特性的影响,结果与实验吻合。而以往文献的接触模型由于忽略了界面上的径向滑动造成的损耗,其性能仿真与实验结果有较大偏差,由此证明了径向滑移对电机机械性能的影响是不容忽视的。     

阻力型水平轴水轮机水动力及尾流特性分析

水轮机是水能利用与水力发电的核心技术装备。传统的升力型水平轴水轮机需满足一定流速条件才可获得既定的效率,因此该型水轮机并不适用于流速较低的区域。为了拓展水平轴水轮机的适用范围,依据阿基米德螺旋线原理,设计了两种具有不同旋叶倾角的新型阻力型水平轴水轮机,并采用计算流体力学方法对二者的水动力及尾流特性进行了三维数值模拟研究。结果表明,变角水轮机在尖速比为0.5～2.0的范围内具有更高的功率系数,且其峰值功率系数相比定角水轮机提升了16%。此外,与一些文献中所报道的升力型水轮机在尖速比为0.5～2.0的范围内相比,变角水轮机也具有较高的功率系数。以尖速比为1.5为例,其功率系数相比至少提升了60%以上。与此同时,变角水轮机在全尖速比范围内具有更低的推力系数,但其性能波动比定角水轮机要明显。流场分析显示,两种阻力型水平轴水轮机的后方均出现了呈环状螺旋形的叶尖涡带和呈条状的毂涡带,而变角水轮机的叶尖涡带和毂涡带的连续性更强,向下游发展的轨迹也更长。此外,变角水轮机的尾流恢复比定角水轮机更快。研究结果揭示了阻力型水平轴水轮机的水动力及尾流特性,为其优化设计和推广应用提供了一定的参考依据。     

低迟滞刷式密封泄漏特性的数值研究

在分析常规刷式密封泄漏特性数值的基础上,利用ANSYS-FLUENT软件求解雷诺平均纳维尔-斯托克斯方程(reynolds averaged navier stokes,RANS),采用各向异性Non-Darcian多孔介质模型对不同压力比下的实验测量常规刷式密封泄漏量进行数值模拟,结果表明,数值模拟得到的泄漏量数据与实验测量常规刷式密封的泄漏量数据吻合,该数值预测方法可行。从泄漏流场、刷丝束内、边缘的轴向压力分布、刷丝束上、下游面的径向压力分布以及泄漏量等方面对常规刷式密封和低迟滞刷式密封的泄漏特性进行比较分析,低迟滞刷式密封在遮流板和减压槽的作用下,其泄漏流的流动形态与常规刷式密封的不同,能有效地降低刷丝束围栏区域的轴向压力差,但其泄漏量较常规刷式密封大,应对其结构进行改进设计。     

大宽深比变曲率弯道水动力结构大涡模拟研究

弯曲型河流是自然界常见的河流形态，弯曲引起主流、二次流与湍流紊动相互作用，产生复杂的水动力结构，影响河流演变和物质输运。目前相关数值模拟及试验研究多针对小宽深、常曲率弯道，与天然河流大宽深、变曲率形态存在较大差异，为了揭示与天然河流相近的弯道水流运动特性，本文针对大宽深比正弦派生曲线弯道三维水流运动进行大涡数值（LES）模拟研究，结果表明：零曲率断面中心区域二次流沿河宽方向分布最为均匀，回流区范围最大，在大宽深比弯道中，回流区范围最大可达断面面积的15.5%。大宽深比弯道中部流动受到弯曲边界约束较弱，主流区内顺流向流速分布较小宽深比工况更接近于顺直矩形明渠，大宽深比情况下，主流核心区集中在弯道中线附近0.5 ~ 1倍水深范围，随着宽深比增大，弯顶附近涡量绝对值增大，对下游的影响范围增大。大宽深比弯道中水流紊动能整体水平较低，紊动能等值线分布和顺流向时均流速等值线一样，均受二次流影响，主流区中心紊动能最小，主流和局部回流区间的剪切层紊动能最大。     

珠江虎门河口洪季潮流近底边界层水流结构研究

研究河口近底边界层水动力结构对进一步研究河口地区水流能量耗散和物质输运具有重要意义,2006年7月26～28日在珠江虎门口采用ADV、ADP及OBS和CDT组合置底支架观测系统对近底边界层水流、泥沙和温盐度进行了水下定点观测,本文通过分析流速观测数据,对该潮汐河口近底边界层的水流结构、阻力特性和紊动尺度进行研究,结果表明除憩流附近外,近底边界层内时均流速分布均可采用对数剖面,摩阻流速值与时均流速基本成正比,平均摩阻流速为0.014m/s,粗糙长度为0.09mm,切应力梯度为0.426N/m~2·m;脉动流速统计分析结果符合典型潮汐河口底边界层的紊动特点,距床面0.15m处,落急时刻宏尺度紊动的时间尺度和长度尺度分别为3s和0.06m;垂向脉动分速以及瞬时雷诺应力自相关分析表明转流附近时段的湍流主要以低频大尺度紊动为主.测量分析结果可为下一步研究近底边界层泥沙运动提供依据,并为数值模拟计算提供水动力分析条件和特征参数.     

泄洪雾化危害的治理方案研究

挑流泄洪引发的强降雨及雾流灾害对周围建筑物安全及周边生态环境影响巨大,建筑物应尽可能避免布置在暴雨区（降雨强度S ≥ 10 mm/h）内。本文针对纳子峡水电站在泄洪期间电站厂房处于暴雨区的情况,利用水力学模型试验对溢洪道的挑坎体型进行优化研究,通过对比不同挑坎体型挑流水舌的挑高、挑距、入水宽度、下游河床冲刷形态、水舌风以及溅水量等参数指标,得出以50°挑角左侧边墙加扭面贴角挑坎体型为推荐体型,进一步对比了原体型和推荐体型各参数指标在不同工况下的变化规律。试验结果表明：相比其他体型,推荐体型挑流水舌沿轴线整体向右侧偏移,电站厂房尾水上游边坡溅水情况改善明显;各工况下,推荐体型厂房尾水上游边坡的溅水量及厂房尾水附近水舌风的抑制均明显优于原体型。