汽轮机空心静叶吹扫性能的试验研究和数值计算

在气-液两相流试验装置上研究了汽轮机空心静叶缝隙热气吹扫对二次水滴尺寸的影响,并结合数值方法分析了热气吹扫对叶栅气动性能的影响.试验结果表明:热气流吹扫使二次水滴的尺寸显著减小,尾缘处的缝隙吹扫对减小二次水滴的尺寸最明显,而压力面时二次水滴尺寸的影响最小,并且提高吹扫压比有助于提高吹扫效果.数值分析表明:压力面和吸力面吹扫缝隙后出现严重的流动分离;扩压区增大,使压力损失增大;尾缘吹扫需对叶片尾缘加厚,但这却导致了严重的尾迹损失;热气吹扫造成叶栅效率降低高达4%.     

缝隙抽吸对二次水滴直径及直径分布影响的试验研究

在空气-水膜两相流动试验装置上，利用Malvem粒度分析仪对空心静叶缝隙抽吸和无抽吸条件下的静叶尾迹区二次水滴直径及直径分布进行了测量和分析。结果表明：缝隙抽吸可以有效地去除静叶表面上的流动液膜，大大减小了静叶尾迹区由于撕裂和二次雾化所形成的二次水滴直径；且水滴直径分布的范围较窄，有利于减轻或防止动叶的水蚀。     

二次水滴可视化探针的设计

在汽轮机静叶尾迹区形成的二次水滴对动叶的连续撞击是造成动叶水蚀破坏的直接原因,本文设计了基于CCD和硬管内窥镜系统的二次水滴可视化探针,并进行了一些静态标定实验。标定实验结果说明所设计的可视化探针有足够的分辨率,测量结果正确,符合测量误差要求,可以用于汽轮机内二次水滴的测量。     

弯叶片对二次水滴运动特性及水蚀的影响

为探索减轻工业汽轮机末级叶片水蚀的主动控制措施,从气液两相流动的运动特性出发,研究了水滴在级环境下的运动特性与二次水滴侵蚀问题.通过比较静叶不同弯曲设计对二次水滴的影响,得到了弯叶片影响静叶表面水滴运动特性的机理,提出以弯叶片控制二次水滴撞击范围与强度的方法.结果表明:静叶反弯能够减小二次水滴在叶展中部的速度,这一作用对二次水滴在静叶表面的运动也适用;静叶反弯能够增大二次水滴在叶片两端的速度,有利于二次水滴顺利通过动叶栅通道,减少二次水滴对动叶的撞击;静叶反弯通过改变二次水滴速度分布,大幅降低了动叶顶部吸力侧的水蚀程度,静叶反弯25°可使动叶高侵蚀率区域面积减小90%以上.     

核电600MW汽轮机末级空心静叶去湿缝设计研究

介绍了一种实用的空心静叶去湿缝设计方法应用于１台核电６００ＭＷ汽轮机的末级。针对该汽轮机低压缸的工作条件及通流部分结构尺寸，分别采用流线曲率法和时间相关法计算了其末级静叶前轴向间隙内和静叶栅通道内的流场；采用经验方法估计了静叶栅前的汽流湿度分布，雾滴及二次水滴的尺寸分布以及２种水分的质量比例；采用轨迹法计算并分析了水滴在静叶栅中的运动，沉积规律；基于以上结果，确定了末级静叶去湿缝的合理布置位置，形     

某除湿级动叶两相流数值模拟

核电汽轮机的大多数级工作在湿蒸汽区,湿蒸汽引起的侵蚀主要有长期低负荷运行引起的静叶出气边根部水蚀以及在动叶进气边顶部的水蚀。如何有效提高动叶除湿能力,降低进气边顶部侵蚀是汽轮机研究的重要课题。基于CFD软件平台,选择k-ε湍流模型和离散相模型研究5μm、20μm、50μm、100μm、150μm、200μm直径的水滴在某除湿级动叶流道中的运动情况,获得动叶内部流动特性以及对水滴的捕捉能力,为除湿级动叶研究和设计提供一些技术建议。     

尾缘厚度对涡轮叶栅流场的影响

现代汽轮机叶片的制造对尾缘厚度的要求非常苛刻,为了研究尾缘厚度对平面叶栅气动性能的影响,本文采用数值计算的方法对某现有的静叶和动叶叶栅,及在原始叶型的基础上将尾缘的厚度增加50%和200%的两对改进叶栅,进行了详细地分析。计算结果表明,随着尾缘厚度的增加,叶片通流面积沿流动方向的收敛程度略微减少,在前缘附近载荷减小,相当于载荷后移,同时尾迹宽度相应的增加,叶栅出口流动角度减小,叶栅损失增加。研究结果对理解和掌握尾缘厚度对涡轮叶栅流场的影响具有重要参考意义。     

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。     

汽轮机末级静叶水滴沉积规律与缝隙去湿研究

采用Fluent软件对某600 MW汽轮机末级静叶栅中的水滴三维运动与沉积规律进行了数值计算,确定了水滴在静叶轴向和径向的沉积位置;实验研究了空心叶栅缝隙抽吸的去湿性能。结果表明:静叶内弧上的沉积水量占叶栅进口总水量的12.2%,背弧的沉积水量占1.6%;静叶内弧上的缝隙抽吸水量大于背弧上的抽吸水量,缝隙位置越靠近静叶出口边,抽吸水量也越大;随着缝隙宽度的增大,缝隙抽吸水量先降低后增大,在宽度为3.0 mm左右时达到较低值;缝隙抽吸水量随抽吸压差的增大而增大,随着主气流速度的增大而很快减小。     

基于透平静叶栅的气液两相流模化试验系统研制

建立了国内第一台基于实际透平湿蒸汽级静叶栅型线的气液两相流动试验台,基本可以完整模拟静叶栅内气液两相流中水相的演变过程,包括水膜的形成、运动及撕裂,粗糙水滴的二次雾化等。还研制了用光学方法测量叶栅前后有关水滴尺寸及其分布的一系列辅助装置。结果表明试验装置和测试系统十分有效。     

汽轮机末级动叶片出口边水蚀特性及疲劳裂纹扩展的研究

空冷汽轮机组、调峰汽轮机组及热电联产汽轮机低压缸在小容积流量工况下运行时，末级动叶片根部分离流区的回流会将排汽缸湿蒸汽中的水滴带回叶栅通道，使动叶片吸力面出口区侵蚀并引发疲劳裂纹。为了确定机组负荷工况对叶片水蚀特性及叶片安全性的影响，首先利用流线曲率法发展出一种计算回流气动特性及水滴撞击叶片速度的方法。并用以分析了一台200MW汽轮机末级动叶根部出口边水蚀的特性，分析结果与实际情况较一致。此后，采用断裂力学理论研究了出口边水蚀缺口处的裂纹萌生期与扩展的增长率，计算结果与实际裂纹发展情况较为符合。所发展的方法为研究预防叶片出口边水蚀方法和合理制定机组检修周期提供了有用手段。     

汽轮机内湿蒸汽两相流流场的实验研究

凝汽工汽轮机末几级往往工作于湿蒸汽区，工作条件恶劣。作者研究了能同时测量汽液两相流动状况的集成化探针，并成功地在电厂进行了实测。实验结果表明：汽轮机中湿蒸汽的流动特性沿叶高是不均匀的，湿蒸汽中二次水滴的流动速度和方向与主汽流都有很大差别。讨论了湿蒸汽流场的测量方法并对部分实验结果进行了分析。     

叶片水蚀的发展过程

介绍了汽轮机叶片水蚀形成、发展的原因、机理及过程,描述了汽轮机叶片(特别是末级叶片)在某些电厂运行过程中受到的水蚀状况,并由此总结出“叶片水蚀过程线”。     

Numerical study and control method of interaction of nucleation and boundary layer separation in condensing flow

The spontaneous nucleation flow in turbine cascade was numerically studied. The model was implemented within a full Navier–Stokes viscous flow solution procedure and the process of condensation was calculated by the quadrature method of moments that shows good accuracy with very broad size distributions. Results were presented for viscous and inviscous flow, showing the influence of boundary layer separation and wake vortices on spontaneous nucleation. The results show that the degree of flow separation in wet steam flow is greater than that in superheated steam flow due to condensation shock and that the loss cannot be neglected. Furthermore, the impact of boundary layer separation and wake vortices on velocity profiles and its implications for profile loss were considered. The calculations showed that layer separation and wake vortices influence nucleation rate, leading to different droplet distributions. A method for controlling homogeneous nucleation and for reducing degree of flow separation in high-speed transonic wet steam flow was presented. The liquid phase parameter distribution is sensitive to the suction side profile of turbine cascade, which impacts the nucleation rate distribution leading to different droplet distributions and affects the degree of flow separation. The numerical study provides a practical design method for turbine blade to reduce wetness losses.     

Numerical study and control method of interaction of nucleation and boundary layer separation in condensing flow

The spontaneous nucleation flow in turbine cascade was numerically studied. The model was implemented within a full Navier-Stokes viscous flow solution procedure and the process of condensation was calculated by the quadrature method of moments that shows good accuracy with very broad size distributions. Results were presented for viscous and inviscous flow, showing the influence of boundary layer separation and wake vortices on spontaneous nucleation. The results show that the degree of flow separation in wet steam flow is greater than that in superheated steam flow due to condensation shock and that the loss cannot be neglected. Furthermore, the impact of boundary layer separation and wake vortices on velocity profiles and its implications for profile loss were considered. The calculations showed that layer separation and wake vortices influence nucleation rate, leading to different droplet distributions. A method for controlling homogeneous nucleation and for reducing degree of flow separation in high-speed transonic wet steam flow was presented. The liquid phase parameter distribution is sensitive to the suction side profile of turbine cascade, which impacts the nucleation rate distribution leading to different droplet distributions and affects the degree of flow separation. The numerical study provides a practical design method for turbine blade to reduce wetness losses.     

弹珠对汽轮机效率及叶片断裂、水蚀的影响

通过对一台抽汽凝汽式汽轮机组叶片水蚀状况进行分析,提出导致叶片断裂和水蚀的主要原因是由弹珠所引起的“弹珠阻止转子旋转的制动力”,它会直接影响汽轮机效率．阐述了由“弹珠”所形成的二次水滴与叶片出汽边处的“水膜”被高速汽流撕裂和破碎所形成的二次水滴的区别．指出利用一定的科学技术手段,改变隔板的结构形式可以有效地减少弹珠的生成数量,减小损耗,减小和抑制“弹珠阻止转子旋转的制动力”,从而达到提高机组效率、延长叶片使用寿命的目的．     

A novel method for measuring the coarse water droplets in wet steam flow in steam turbines

IntroductionWetoess in last stages Of LP steam ~es has beenlmown for a long time as a cause of efficiency loss anderosion of bladeslll. It comprises fine dIDPlets (also fogdrOPletS or Primal droplets) less than about 2 11 m indiameter and coarse water (big drOPlets or secondsdropletS), with diameter ~ about 10 11 m up tO sevedhundreds inicmns.For the fine droplet, the global method, known aSthe extinction method has been chosen tO Obtain itS sizedistribution and concentalon (weiness). …     

大功率汽轮机高温叶片蠕变特性数值研究

近年来汽轮机朝着大功率、高参数方向快速发展,汽轮机进口蒸汽温度不断提高,导致叶片的工作环境进一步恶化.叶片作为汽轮机的核心部件,其安全性直接影响汽轮机机组的运行状况,因此研究高温条件下叶片的强度和蠕变特性非常重要.以某大功率汽轮机高温叶片为例,构造了叶片和叶轮三维有限元模型,采用商用有限元软件ANSYS分析了离心力和温度场共同作用下的叶片热弹性应力及变形;然后,应用诺顿模型分析了该叶片经历100 000 h蠕变历程的应力和应变.建立了完整的汽轮机叶片蠕变特性分析数值模型,研究工作为汽轮机叶片的静强度和蠕变特性研究提供了具体的方法,所得结论对于高温叶片设计具有指导意义.