超超临界汽轮机组固体颗粒冲蚀的数值研究

文章采用商用计算流体动力学软件CFX,针对某1000 MW汽轮机组,采用欧拉-拉格朗日法,数值模拟了高压缸首级通道内固体颗粒的运动特性,结果表明:不同粒径的固体颗粒对叶片的冲蚀有着不同的影响,固体颗粒直径越大,发生碰撞时的角度越大,撞击点位置越接近前缘.固体颗粒在静叶压力面、吸力面撞击点的撞击角度均在0°~15°之间.静动叶内的冲蚀区主要集中在压力面的中后部,并且静叶受冲蚀的程度远大于动叶.文章还对静叶出汽边采用Cr2C3抗冲蚀涂层后的流动情况进行了分析和比较,结果表明,采用Cr2C3抗冲蚀涂层对叶片气动性能影响不大.     

超临界汽轮机调节级喷嘴固粒冲蚀特性的预测与抗冲蚀方法

采用数值方法计算了超临界汽轮机调节级喷嘴内的固体颗粒运动特性，根据固体颗粒撞击叶片的位置、速度与撞击角以及材料的抗冲蚀性能综合分析了喷嘴的总蚀机理与冲蚀特性，并阐明了利用气动设计方法和表面强化手段降低冲蚀的基本原理。     

大功率汽轮机再热第一级固粒冲蚀的数值研究

以某600MW汽轮机再热第一级叶栅为研究对象,采用欧拉-拉格朗日法,数值模拟了其叶栅通道内固体颗粒的运动特性,研究了固体颗粒的运动规律,分析了固体颗粒对静叶片、动叶片的冲蚀特点。     

汽轮机调节级固体颗粒冲蚀的数值模拟

对于不同机组,汽轮机调节级内部结构不尽相同,其中的固体颗粒冲蚀规律也会有区别.以某600MW汽轮机调节级叶栅为研究对象,采用欧拉-拉格朗日法,数值模拟了调节级静、动叶栅通道内固体颗粒的运动特性,研究了固体颗粒的运动规律,分析了固体颗粒对喷嘴叶片、动叶片的冲蚀.研究发现不同粒径的固体颗粒对叶片的冲蚀有着不同的影响,大粒径粒子造成的冲蚀占主要比例,小粒子甚至未对叶面发生碰撞;喷嘴内的冲蚀区集中在压力面的中后部;动叶内的冲蚀区位于压力面中后部以及柱形前缘,压力面中后部靠近叶尖部位的地方冲蚀最为严重.     

子午面成型对超临界汽轮机调节级喷嘴固体颗粒冲蚀特性的影响

建立了氧化铁颗粒撞击12Cr材料高温的冲蚀率模型,并与叶栅的三维流场和固体颗粒运动特性的数值计算方法一道,计算与分析了1台超临界汽轮机调节级喷嘴顶部采用平直子午面和收缩子午面两种情况下,氧化铁颗粒对于喷嘴叶片的撞击区域和撞击参数以及喷嘴表面的冲蚀量分布,结果表明:子午面收缩能够有效地减小叶片表面上受严重侵蚀的范围并降低最大当地冲蚀量。与平直子午面喷嘴相比,受严重侵蚀的区域面积降低约60%,最大当地冲蚀量降低约1 3。图13参7     

斜置静叶对喷嘴内固体颗粒冲蚀作用的影响

汽轮机调节级采用斜置静叶可有效降低固体颗粒的冲蚀率。通过fluent软件进行数值模拟,建立汽轮机静叶的不同斜置角度的计算模型,基于三维定常可压缩流体的N-S方程,在连续相流场的基础上添加离散相模型,分析不同斜置角度下不同粒径的固体颗粒的运动轨迹及其对叶片的冲蚀作用。分析表明:静叶斜置角度的改变对固体颗粒的运动轨迹是有影响的,斜置角度为45°时,固体颗粒的运动轨迹最好,对壁面的冲蚀作用最小。随着斜置角度的增大,固体颗粒的运动速度减小,固体颗粒与壁面的碰撞角减小,对壁面的冲蚀率减小,汽轮机组的安全性提高。     

超临界汽轮机调节级叶片固体颗粒冲蚀特性的研究

建立了高温条件下氧化铁颗粒撞击12Cr材料的冲蚀模型，并将此模型与透平级三维气固两相流运动特性的数值计算相结合，计算和分析了一台超临界汽轮机调节级在设计工况下喷嘴与动叶表面上的冲蚀量分布。计算结果表明，喷嘴压力面接近出口边缘的区域以及动叶压力面中后部区域是最容易受到固体颗粒冲蚀的部位，并且动叶易受冲蚀部位最大冲蚀量约为喷嘴易受冲蚀部位最大冲蚀量的1．5倍。     

含尘透平中冲蚀耦合叶片的振动频率的变化

透平叶片的振动频率变化影响到机组的安全运行，根据石英砂与催化剂颗粒对叶片冲蚀的试验现象和数值模拟结果．在基于多相流体动力学、冲蚀及透平叶片强度理论耦合的基础上，提出了持续冲蚀环境下研究叶片振动频率变化的方法。通过对某双级跨音速燃气透平的计算，预测了等截面静叶和变截面动叶自振频率在不同介质、不同浓度的颗粒的冲蚀下，叶片振动频率随时间的变化趋势，对冲蚀环境下含尘透平叶片振频的计算模型作出了修正。图8表1参4     

颗粒直径对向心透平冲蚀磨损的影响

为了探讨不同直径颗粒对无导叶向心透平输送气固两相流过程中的冲蚀磨损问题,对颗粒与各过流部件的冲击速度与冲击角度进行数值模拟。结果表明:小直径颗粒在蜗壳和叶轮流道中分布相对均匀,几乎不与过流部件表面发生碰撞,对过流部件的冲蚀磨损率相对较小。大直径颗粒运动中更倾向于从蜗壳尾部进入叶轮,在叶轮流道中,颗粒轨迹易向叶片压力面靠拢,且易与叶片压力面发生碰撞。随着颗粒直径的增加,颗粒将以更大的角度和速率撞击叶片压力面,且存在多次撞击过程,造成压力面中部靠近前盘处和吸力面靠近出口区域严重磨损。     

海水中固体颗粒对潮流能水轮机的冲蚀性能影响

潮流能水轮发电机是潮流能电站的核心技术装备之一，海水中固体颗粒的冲蚀损伤对水轮机叶片造成的伤害将直接影响机组的发电效率和运行的稳定性。利用计算机仿真技术，对潮流能水轮机叶片进行数值模拟，分析叶片的冲蚀速率和颗粒相的体积分数，判断叶片受损严重部位，对冲蚀性能进行评价。研究结果表明，该潮流能水轮机叶片的迎流面叶尖外边缘位置受损最严重。随着流速的增大，造成的冲蚀损伤几乎成倍数式增加；颗粒浓度造成的冲蚀损伤大小与速度呈正相关。研究结果对水轮机叶片结构的冲蚀性能评价具有指导意义，也可为结构设计的抗冲蚀性能优化提供参考。     

Unsteady numerical simulation of steam-solid two-phase flow in the governing stage of a steam turbine

Solid particle erosion (SPE) in an ultra-supercritical steam turbine control stage with block configuration is investigated numerically, based on the finite volume method and the fluid-particle coupling solver. We apply the particle discrete phase model to model the solid particles flow, and use the Euler conservation equations to solve the continuous phase. The investigation is focused on the influence of the solid particle parameters (such as particle diameter, particle velocity and particle trajectory) on the erosion rate of the stator and rotor blade surface in unsteady condition. The distributions of the highly eroded zone on the stator and rotor blade surfaces are shown and discussed in detail according to the mechanism of solid particle/blade wall interaction. We obtain that the erosion rate of the vane blade is sensitive to the fluctuation of the potential flow field, and the smaller particle has a greater impact on the erosion distribution of rotor blade. The erosion rate does not entirely depend on the diameter size of the solid particle.     

气冷涡轮转子变叶尖间距性能试验及数值研究

为量化评估工程应用的气冷低压涡轮带冠转子叶片的叶尖间距大小对涡轮气动性能的影响，综合现有涡轮部件试验能力，以单级轴流低压涡轮性能试验件为基础，通过控制圆度的机加方式磨削转子外环内壁以实现叶尖间距的变化，采用控制冷气流量比的方法，开展5次不同叶尖间距大小的涡轮级性能试验，得到多工况下涡轮效率、换算流量和换算功率等特性参数。采用加载冷气及考虑转子叶冠结构的数值模型进行三维仿真计算，并与试验结果对比分析。研究表明：叶尖间距由0.6 mm增加至3.2 mm,低压涡轮流通能力增大1%,叶冠泄漏量增多3.4%,但做功能力下降2.3%。涡轮效率变化与叶尖间距大小近似呈线性关系，叶尖间距每增加1 mm,效率约降低0.7%,同时，叶尖间距的增加导致了叶冠腔的旋涡结构、气流掺混及主流入侵强度逐渐增大，引起动叶总压损失的增大，叶尖间距增加至3.2 mm导致叶间位置总压损失由0.88增至2.3。     

透平叶片弯、扭、掠联合造型规律及其气动性能研究

为研究静叶弯、扭、掠联合造型对流场结构的影响,以某高压透平首级叶片为研究对象,借助计算流体力学与正交优化方法,基于动静叶最佳匹配原则（即对于每种静叶构型,动叶都进行了相应的扭转规律变化,使得动静叶气动性能处于最佳匹配状态）,研究了静叶不同复合构型方式对流场结构的影响。结果表明：在合理的静叶弯曲规律下,静叶扭转改型对透平性能有较大影响,掠改型对透平性能影响有限;在一定的扭转规律下,对静叶进行掠改型对轮周效率的影响较小,仅后掠改型会提高透平的轮周效率;对弯扭掠静叶匹配扭动叶进行联合优化,得到的最佳透平的轮周效率为87.12%,与原始透平相比,轮周效率提高了2.09%。     

尾迹对涡轮动叶气膜冷却影响的三维非定常数值模拟

采用数值计算的方法,对带有前导静叶的旋转涡轮动叶流场和气膜冷却效率进行了三维非定常数值模拟,研究了静叶非定常尾迹对涡轮动叶气膜孔周围流场及冷却效率的影响.结果表明,在不同的动、静叶相位,尾迹的存在改变了涡轮动叶入口来流的周向分布,对射流和主流的掺混流场产生了周期性的影响,使得压力面不同时刻的气膜冷却效率存在一定的波动,...     

压气机动叶CLOCKING效应对叶片可靠性影响的数值研究

采用基于谐函数(harmonic)的非定常计算方法,数值模拟了某型燃气轮机中间三级轴流压气机流场,研究第二级动叶CLOCKING效应对中间级静叶片气动负荷的影响。通过对各列叶片非定常气动力和气动力矩进行时域分析,指出不同CLOCKING位置对应的气流激振力对叶片的气动负荷造成了明显的影响。进行了中间级动叶和静叶的振动可靠性分析。计算结果表明,该压气机的3组静叶片避开共振区的程度各不相同。R2转子叶片处于不同的CLOCKING位置会引起下游S2静叶片气流激振力发生显著变化,导致S2叶片产生比较强烈的共振。     

气冷涡轮级气热耦合非定常数值模拟

采用三维非定常气热耦合模拟的数值方法,对具有冷却结构的单级涡轮进行非定常流动和冷却性能进行研究,通过对非定常流场和固体温度场的分析来探讨冷气对叶片排内流场和固体温度场的影响,指出在非定常状态下,不同的动、静叶相对位置对应不同的气膜出流情况。上游周期性不稳定尾流会造成下游动叶片主流掺入气膜保护层,会造成气膜冷却效率降低。尾迹对叶片前缘的撞击引起瞬间的冲角增大,叶片气动负荷以及温度分布存在一定程度的波动,吸力面前缘受到的干扰更为明显。     

退化涡轮叶片形变对气动参数偏离的影响研究

涡轮叶片在服役过程中发生的形状变化会造成涡轮气动参数偏离,研究造成涡轮性能退化的主要形变因素是实现涡轮精准维护的重要环节。本文分析了实际涡轮叶片在长时间服役后的具体形变特征,以及形变特征与气动参数偏离值的关系;通过光学扫描获得退化涡轮全周叶片的形状数据,重构得到叶片特征几何参数;以几何参数为基础生成退化的涡轮流道,通过CFD仿真得到了燃气轮机在退化前后的详细气动参数;采用神经网络模型建立涡轮几何数据与气动数据之间的映射关系,并分析了模型中影响气动参数偏离的主要几何参数。结果表明:磨损烧蚀导致弦长变短是第1级静叶气动参数变化的主要诱因,而第1级动叶的气动参数则主要受喉道宽度的影响。     

Numerical Investigation of the Superimposed Effects on Stator Wake Oscillation in an Axial-radial Combined Compressor ZHAO Ben,YANG Ce,HU Liangjun,ZHOU Mi and ZHANG Jizhong简

The superimposed influences of the blade rows in a multistage compressor are important because different matches of upstream and downstream blades can result in significant differences in the stator wake oscillation. Numerical inves- tigation of the axial stator wake oscillation, which is affected upstream by the axial rotor and downstream by the radial rotor, was performed in an axial-radial combined compressor. Many configurations with different blade numbers and locations, which influence axial stator wake oscillation were investigated. When rotors have equal blade numbers, the axial stator wake oscillates periodically versus time within time T （moving blade passing 1/3 revolution）. In contrast, stator wake oscillates irregularly within T when rotors have different blade numbers. A model-split subtraction method is presented in order to separate the influences of the individual blade rows on the wake oscillation of the axial stator. Analysis from the rotor-stator configuration showed that the unsteady flow angle fluctuation response is caused by the upstream rotor. For the rotor-stator-rotor configuration, the unsteady flow angle fluctuations are influenced by up- and downstream blade rows. With the model-split subtraction method, the up- and downstream influences on the flow angle fluctuation could be clearly separated and quantified. Low amplitudes could be observed when the influences from up- and downstream moving rows were superimposed with the ＂positive peak- negative peak＂ type wave. Clocking investi- gations were carried out to change the relative superimposed phase of influences from the surrounding blade rows in or- der to modulate the amplitudes of the axial stator wake oscillation. However, the amplitudes did not reach the maximum when they were superimposed with ＂positive peak-positive peak＂ type wave due to the impact of the interaction between the two moving blade rows.     

Changes in design driving load cases: Operating an upwind turbine with a downwind rotor configuration

This work considers the design driving load cases from a full design load basis analysis on an upwind turbine changed into a downwind configuration. The upwind turbine is a commercial class IIIA 2.1‐MW turbine, manufactured by Suzlon. The downwind turbine shows an increase in the normalized tower clearance by 6%, compared with the upwind concept. Removing the blade prebend increases the normalized minimum tower clearance by 17% in the downwind configuration compared with the upwind configuration. The extreme loads on the longitudinal tower bottom bending moment are seen to generally increase by 17% because of the overhanging gravity moment of the rotor‐nacelle assembly. The extreme blade root bending moments are reduced by 10% flapwise, because of the coning of the rotor in downwind direction. The fatigue loads suffer from the tower shadow, leading to an overall increase of the fatigue loads in the blades with up to 5% in flapwise direction in the downwind configuration. Because of blade deflection and coning direction, the downwind configuration shows a 0.75% lower annual energy production. Removing the prebend increases the annual energy production loss to 1.66%.     

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。