汽轮机高压级叶顶间隙流的特性分析

以某300Mw汽轮机高压级为研究对象,采用带剪切应力传输（shearstresstransmission,sst）的K-w sst湍流模型,应用SIMPLEC算法对不同叶顶间隙下的泄漏流动进行数值模拟,分析了泄漏涡的产生、发展及与通道涡的干涉情况,并研究了3种叶顶间隙下,动叶叶项处复杂的流动和涡系情况。结果表明,压力面附近的流体由于压力面和吸力面的压力差作用进入叶顶间隙,泄漏到吸力面处,与主流掺混形成泄漏涡。随着叶顶间隙的增加,泄漏涡强度变大,导致通道涡靠近叶片中部。同时,泄漏涡涡核离吸力面更远,使通道内的流动环境更恶劣,引起更大的级内损失。     

汽轮机动叶栅内泄漏流动特性及损失分布

针对汽轮机间隙蒸汽泄漏的注入对动叶栅气动性能和损失的影响,以带有叶顶和静叶环汽封的某汽轮机高压级模型为例,分析不同汽封齿顶间隙下汽轮机动叶栅内泄漏蒸汽与主蒸汽的掺混作用、高损失区域体熵增率的变化规律和对轴功率和级效率的影响。结果表明:泄漏蒸汽的影响区域主要集中在叶片的吸力面附近,且泄漏蒸汽流经动叶通道时,其影响范围不断向叶中扩展。高损失区域沿径向集中在上、下叶端附近;沿轴向集中在动叶吸力面中部和叶片前缘处。随蒸汽泄漏量增加,高损区损失量越大,在叶片径向和轴向上的影响范围越大。在齿顶间隙增加时,由叶顶和静叶环漏汽分别导致的动叶栅高损失区的变化趋势相反。汽封齿顶间隙扩大至设计尺寸2倍,级功率下降约1.06%,级效率下降约1.49%。     

内流近壁区非定常等离子体的流动控制机理

为了揭示非定常等离子体激励在压气机内流近壁区的流动控制机理,建立了等离子体激励流动控制的计算模型,采用基于shear stress transport(SST)湍流模型的尺度自适应雷诺平均/大涡(RANS/LES)混合模拟方法进行非定常数值模拟,研究了非定常等离子体激励的耦合作用机理。结果表明:机匣近壁区转子吸力面流动分离导致叶顶泄漏涡破碎并触发转子内部流动失稳。非定常等离子体激励与机匣近壁区流场相互作用产生诱导涡,诱导涡与叶顶泄漏涡发生耦合作用,促使叶顶泄漏涡产生周期性的振荡,抑制叶顶泄漏涡向转子前缘移动,机匣近壁区流场抵抗逆压力梯度的能力增强,有效地抑制转子吸力面流动分离,与定常等离子体激励相比流动控制效果更好。     

汽轮机低压缸零出力流动与温升特性数值研究

小流量下汽轮机低压缸末级内部流动与温升现象十分复杂,为火电调峰与低压缸零出力改造带来挑战。为此,以某电厂汽轮机低压缸为研究对象,建立了低压缸五级叶栅单通道流场计算模型,数值研究了不同工况下低压缸工作性能、流动结构与温升特性。结果表明：当低压缸通流流量降低至设计工况的3.84%时,低压缸无法输出功率;流量很小时,低压缸进入鼓风状态,末级叶栅出现下端壁分离区、静叶分离区、机匣环面涡、末级动叶涡等流动结构,且在末级叶栅转-静间隙叶顶位置出现显著鼓风加热现象;流量降低至设计工况的2.23%时,末级静叶、动叶表面平均温度分别升高219.6 K与243.7 K。鼓风状态下,低压缸工作性能、内流结构均会发生显著变化,末级叶栅内温度升高使叶片工作环境恶化,机组小流量运行需对其加以考虑。     

汽轮机叶顶间隙泄漏流结构及高损失区分布研究

对某带有高低齿汽封的汽轮机高压1.5级进行数值计算,分析了不同叶顶间隙下泄漏流在汽封和下游静叶流域内引起的高损失区分布规律,探究了泄漏损失的产生机理,并对级内黏性损失进行了区分和量化。结果表明:泄漏流在汽封腔内引起的黏性损失主要分布在齿下节流处和与汽封齿的撞击点处;下游静叶流域内泄漏涡并不直接引起损失,泄漏流与主流较大的速度差异是引起黏性耗散的主要原因。随着叶顶间隙增大,泄漏流具有更高的湍动能,与主流掺混引起更大的黏性耗散。上游静叶中黏性损失较小,静叶和动叶尾缘处的尾迹损失发生突增,下游静叶流域内的掺混损失约占级内黏性损失的1/3,且随叶顶间隙的增大而增大。     

叶顶间隙对某涡轮级流场及气动性能影响的数值研究EI北大核心CSCD

采用数值模拟方法,对某涡轴发动机高压涡轮的其中一级进行了三维流场计算,通过对比分析均匀和非均匀间隙条件下的流场和气动参数分布,探讨了不同间隙形式时的叶顶泄漏流动情况、以及流场变化对涡轮级气动性能的影响。结果表明:随着间隙高度的增加,叶顶泄漏高损失区与上通道涡高损失区相结合,新的大尺度分离结构形成引起损失增加,当间隙高度为1.2 mm时的总效率降幅达到5个百分点;前缘附近间隙增加对损失的不利影响要小于尾缘,降低尾缘附近的间隙高度至0.3 mm可以有效提高总效率约1个百分点;通过控制叶顶不同区域的间隙高度,可以对间隙内泄漏流体速度进行有效控制,减小间隙内堵塞从而提高总性能。     

可控涡设计高负荷涡轮二次流旋涡结构及损失分析

采用雷诺平均Navier-Stokes方程和Spalart-Allmaras湍流模型,对可控涡设计的1.5级高负荷亚音速试验涡轮进行三维黏性数值模拟,对叶栅内旋涡发展和损失机制进行全面研究和分析。数值研究表明,在高负荷涡轮动叶栅内,马蹄涡吸力面分支到达吸力面之后并没有消失,而是和压力面分支相交,并一起向下游发展,其位置始终处于压力面分支下侧,紧贴吸力面端部附近,并没有发生相互缠绕作用。受动叶栅通道内强横向压力梯度作用,端壁附面层从压力面侧直接被推向了吸力面侧,所形成的通道涡没有发生强烈的旋涡运动,位置始终限制在叶栅吸力面端壁附近的狭长区域内,呈片状涡结构。低能流体继续向吸力面角隅内运动和堆积,并向展向扩展,与主流发生强烈的掺混作用,损失急剧增加。因此,提高高负荷涡轮级效率的关键在于提高动叶性能。     

攻角和端壁滑移对凹槽叶顶间隙流动传热的影响

以某燃气轮机高压涡轮动叶为研究对象,在主流雷诺数为9×104条件下,对进气攻角分别为-5°,0°,5°以及端壁有、无滑移时的凹槽叶顶旋涡结构和换热系数进行了数值模拟及实验验证。结果表明:压力系数模拟计算结果与实验数据吻合较好,说明本文数值模拟结果有效;无端壁滑移时,叶顶靠近压力面侧前缘产生的泄漏涡向吸力面和尾缘同时发展,叶顶换热系数沿叶型中弧线方向减小;端壁滑移缩小了泄漏涡尺度,泄漏流均匀地从压力面流向吸力面;叶顶换热系数沿垂直于弦长方向减小;端壁滑移虽然降低了间隙内泄漏流速度,但却使叶顶平均换热系数略有增大;端壁滑移使3种攻角的叶顶最高换热系数分别降低了7.5%,8.1%和19.2%;攻角从-5°变化到5°,端壁滑移和无滑移时的最高换热系数分别降低了14.9%和22.4%,无论端壁有无滑移,叶顶平均换热系数均降低了约11.8%。     

仿生波浪前缘叶片在核电汽轮机中的应用

采用数值模拟的方法研究了仿生波浪前缘对某型核电汽轮机高压末级变工况特性的影响,分析了蒸汽在仿生波浪前缘叶栅内的流动机理。通过研究发现,在所研究的汽轮机级输出功率变化范围内,具有波浪前缘改型动叶栅的核电汽轮机末级相比原型具有更高的相对内效率。并且,随汽轮机级输出功率的降低,级效率提升幅度相应增大。当级负荷降低至12.5%时,级效率可提高3%。经流动可视化分析,发现动叶栅波浪前缘形成的流向涡结构是造成效率提高的主要原因,在涡结构的生长、延伸、耗散过程中,促进了叶片边界层内流体与主流间的能量交换,从而减小边界层损失。     

叶顶开槽对轴流风机性能影响的数值研究

适当改变动叶叶顶结构可有效改善轴流通风机的性能。以OB-84型动叶可调轴流风机为对象,采用Fluent对不同叶顶方案下的风机性能进行三维数值模拟,分析不同叶顶结构对间隙内部及其附近流场和损失分布的影响。研究表明:叶顶开槽长度、型式及开槽部位对风机性能均有明显影响,开槽后风机的全压均低于原风机,而效率却得到不同程度的提高;叶顶凹槽扰乱了间隙内流场涡量场的分布,阻碍了泄漏流的发展,削弱了泄漏流与主流的掺混,并使泄漏损失减少。总体而言,叶顶双凹槽下风机具有最优的气动性能,设计流量下风机效率提高了1.05个百分点。