汽轮机低压缸进汽腔室气动分析及方案研究

汽轮机低压进汽腔室设计的优劣对机组效率有明显的影响,其对效率的影响主要有两个因素,一是腔室本身的流动情况;二是腔室出口气流角与静叶的匹配情况。采用计算流体力学(CFD)方法模拟了基于不同设计方案进汽腔室的流场情况,并根据流场参数计算了第一级的级效率。研究表明,采用切向进汽方式,并且根据腔室出口气流角匹配静叶叶型,可以提高低压缸第一级叶片的效率,降低机组热耗。未来将会有越来越多的汽轮机采用切向进汽腔室,以提高机组的效率。     

汽轮机高压缸进汽蜗壳的数值研究

文章采用商用计算流体动力学软件CFX,针对某高压缸进汽蜗壳进行了详细的数值研究,并对影响切向进汽蜗壳气动特性的因素进行了研究,结果表明：切向进汽方式具有优越的气动特性,其进汽蜗壳截面的收缩比、截面形状以及进口管横向间距均对切向进汽室气动特性影响较大。湍动能和总压损失系数随截面收缩比的增加逐渐减小并趋于平缓。截面形状和进口管横向间距对切向进汽室总压损失系数影响较小,但对出口处湍动能影响较大。     

1000MW超超临界汽轮机中压缸进汽蜗壳的数值模拟研究

汽轮机实际运行环境中非轴对称通流(进、排、抽汽等)部件产生的非轴对称流场将导致叶片排内部流场的变化.针对某1 000MW超超临界汽轮机的中压缸进汽蜗壳进行了详细的数值模拟研究,并将进汽蜗壳与第一级静叶进行了联算,结果显示进汽蜗壳的非轴对称进汽导敛叶片排进口流场的岗向和径向不均匀,并对叶片性能产生影响.     

带进汽腔体的整圈斜置静叶的数值研究

基于某超超临界机组的汽轮机中压缸数据,对带进汽腔体的整圈斜置静叶进行了数值模拟.通过对进口流动角度的分布、不同周向位置叶片的表面压力分布、相对应的速度矢量图和压力云图以及斜置静叶下游流动参数的分析,研究了进汽腔体所带来的周向不对称性对下游叶片流动的影响,以及上游的周向不均匀性经过斜置静叶后的变化.结果表明:进汽腔周向进气的不对称性使周向进气角有偏差,导致冲角沿周向产生较大波动;气流经静叶之后,周向不均匀性会减弱.在设计第一级静叶时,应选择对来流进气角度不敏感的翼型.     

透平双列调节级气动特性研究和分析

对采用静叶栅部分进汽的双列调节级进行不同负荷分配的气动性能分析研究，同时分析静叶栅不同局部进汽对级性能的影响。运用全三维数值方法对全周双列调节级模型计算模拟。分析结果表明，首列叶栅负荷比的变化直接影响整级的气动性能，首列叶栅负荷从80%下降到50%的过程中，级效率呈现先上升后下降的趋势，即双列调节级存在一个最佳的首列载荷分配值。同时研究首列静叶栅和第二列静叶栅部分进汽度的设计，经研究，第二列静叶栅部分进汽度与首列静叶栅部分进汽度接近时，双列调节级的气动性能最优。     

两种进汽结构气动性能的数值研究

对传统进汽结构和新型切向进汽结构的流场细节进行了数值研究。通过对总压损失系数、阻力系数、马赫数分布以及出口截面压力不均匀度的分析,得到数值结果。计算结果显示:与传统进汽结构相比较,新型切向进汽结构本身的气动性能优于传统进汽结构,这包括总压损失小,阻力系数小,出口参数的不均匀度小。另外切向进汽结构可以为其后的压力级叶片提供了更为理想的的进汽条件,从而保证机组的经济性。     

考虑汽封条件下汽轮机调节级多工况的数值研究

具有部分进汽特性的汽轮机调节级,其动叶围带顶部汽封齿后的泄漏流动同主流的相互作用,不仅影响机组的气动性能和效率,而且对机组的安全稳定性也有一定影响。基于三维黏性可压缩的Navier-Stokes方程对某150MW汽轮机调节级进行了全三维的数值模拟,建立了安装汽封齿全周流动模型,对不同进汽度下的汽轮机调节级内部流场进行了数值研究。结果表明:处于进汽段的动叶栅其流量和动叶扭矩都比较大,汽封内部流动总体是按照从动叶前缘向后缘的流动;而处于非进汽段的动叶栅,内部汽体基本处于呆滞状态,甚至存在蒸汽对动叶的扭矩为负值的情况,汽封内的流动方向改变,从动叶后缘向前缘发展。随着部分进汽度的降低,泄漏比例则显著增大,而轮周效率显著降低。     

汽轮机切向进汽蜗壳设计方法研究

采用3种切向蜗壳设计方法对某50 MW机组高压进汽流道进行了切向设计,获得3种形式的切向蜗壳:切向等截面设计、等环量设计以及线性收缩设计。采用数值仿真方法对3种形式的切向蜗壳进行了气动分析,获得了切向蜗壳的气动性能、流场分布等。结果表明:3种形式切向蜗壳的气动性能各不相同,等截面切向蜗壳的总压损失最大,出口均匀性最差,而等环量和线性收缩切向蜗壳的总压损失更小,出口均匀性也更好。其中,等环量设计的总压损失和出口均匀性均为最优。对于汽轮机进汽流道,不同切向进汽设计方法会导致不同的截面积周向变化规律,进一步影响蜗壳的气动性能。因此,汽轮机进汽流道在进行切向设计之前有必要选择适合的切向进汽设计方法。     

两种船用汽轮机速度级流场数值比较研究

对采用寇蒂斯级、半寇蒂斯级设计思想、具有局部进气的汽轮机复速级,进行了全周的三维数值模拟,比较分析了设计工况下两种复速级的流动特点及气动性能。计算结果表明,新型复速级的设计降低了第一列静叶的气动负荷,起到了减弱流动损失的作用。同时将第二列静叶由冲动式叶栅变为反动式叶栅,并且采用较大的收敛度以及较大的叶片弦长,使得气流参数在第二列静叶流道内进一步均化,有利于削弱第一列动叶入口气动参数的非定常波动。     

迷宫式静叶隔板汽封的数值模拟分析

采用数值模拟的方法,考虑迷宫式静叶隔板汽封,对某汽轮机级气动特性进行了计算和分析。重点考察了汽封通道内的蒸汽流动情况,分析了迷宫式汽封气动方面的优点和对叶片气动特性的影响,从而提出了一些有意义的结论和建议。     

来流条件对排汽缸内非轴对称流动的影响

研究了大功率汽轮机低压缸排汽在不同气流角及不同总压分布下的流场,以模型为对象进行了三维流场的数值模拟.结果表明:排汽缸入口较大的旋流角会恶化排汽缸性能,而总压沿径向变化梯度为负时则有利于改善排汽缸气动性能.基于这一结果提出了通过改变总压分布抑制由于来流方向对排汽缸性能产生的负面影响的方法.     

工况不确定性对汽轮机末两级气动性能的影响研究

汽轮机运行条件存在随机波动性,对汽轮机的稳定运行造成一定影响。以往的研究多将汽轮机的工作环境条件作为确定因素,未考虑其随机变化的影响。本文将汽轮机背压、径向气流角和进口流量作为服从一定概率分布的随机变量,采用多项式混沌方法结合计算流体力学（CFD）模拟仿真,研究了以上参数的随机波动对某汽轮机末两级叶片气动性能的影响。结果表明：计算进口边界条件的设置方法对汽轮机末两级总体性能的计算结果影响不大,当给定进口流量边界条件时,末两级效率的计算结果最高;在接近堵塞工况时,进出口条件的随机变化对通流流量的影响不大,但效率存在明显的波动,进口气流角对总体性能的影响相对较小;当背压和进口流量存在随机波动时,末级动叶中激波位置小范围波动,激波位置对径向气流角的波动不敏感。     

中压进汽腔体内部流场的数值与实验研究

结合数值计算和实验测试方法获得了某超超临界机组中压缸进汽腔体的内部流场数据,数值结果和实验结果都发现,左右对称的中压缸进汽腔体,其流场呈现左右不对称特点;数值计算中曾出现的左右对称结构为不稳定形态,容易进入稳定的非对称流场结构.进汽腔体出口具有明显的周向流动角度,而且流动参数周向分布不对称,这将对下游叶片运行产生影响.本研究将为改进进汽腔体的设计提供参考.     

Influences of inflow condition on non-axisymmetric flows in turbine exhaust hoods

The complex 3D flow in a steam turbine exhaust hood model with different inlet swirl and inlet total pressure radial distributions has been simulated by employing CFX-5 and analyzed in this paper. It＇s found that the inlet tangential flow angle at hub has a negative effect on the exhaust hood performance, while a negative gradient of inlet total pressure radial distribution has a positive impact on the hood performances. It＇s also numerically con- firmed that a proper distribution of total pressure at hood inlet can successfully eliminate the negative effects caused by the inappropriate inlet swirl distribution and improve the hood aerodynamic performance.     

Design Methods and Strategies for Forward and Inverse Problems of Turbine Blades Based on Machine Learning

To study the feasibility of using machine learning technology to solve the forward problem(prediction of aerodynamic parameters)and the inverse problem(prediction of geometric parameters)of turbine blades,this paper built a forward problem model based on backpropagation artificial neural networks(BP-ANNs)and an inverse problem model based on radial basis function artificial neural networks(RBF-ANNs).The S2(a stream surface obtained by extending a radial curve in turbo blades)calculation program was used to generate the dataset for single-stage turbo blades,and the back propagation algorithm was used to train the model.The parameters of five blade sections in a single-stage turbine were selected as inputs of the forward problem model,including stagger angle,inlet geometric angle,outlet geometric angle,wedge angle of leading edge pressure side,wedge angle of leading edge suction side,wedge angle of trailing edge,rear bending angle,and leading edge diameter.The outputs are efficiency,power,mass flow,relative exit Mach number,absolute exit Mach number,relative exit flow angle,absolute exit flow angle and reaction degree,which are eight aerodynamic parameters.The inputs and outputs of the inverse problem model are the opposite of that of the forward problem model.The models can accurately predict the aerodynamic parameters and geometric parameters,and the mean square errors(MSEs)of the forward problem test set and the inverse problem test set are 0.001 and 0.00035,respectively.This study shows that machine learning technology based on neural networks can be flexibly applied to the design of forward and inverse problems of turbine blades,and the models built by this method have practical application value in regression prediction problems.     

某型汽轮机速度级流场气动性能的数值研究

对采用半寇蒂斯级设计思想、具有局部进气的汽轮机复速级,进行了三维整周数值模拟,分析了设计工况下该复速级第一级叶片的气动性能。计算结果表明,半寇蒂斯级非喷嘴区域内的压力远低于喷嘴区域的压力和平均压力,在喷嘴区域的边界部位出现由较高压力向较低压力的急剧变化。非进气弧段与进气弧段之间的压力差值相对较大。在非进气弧段的两端,动叶将承受方向相反的由于高压区向低压区气体流动形成的气动力矩的作用,这会导致下游叶片的压力分布发生明显变化。     

Numerical and experimental study on aerodynamic performance of small axial flow fan with splitter blades

To improve the aerodynamic performance of small axial flow fan, in this paper the design of a small axial flow fan with splitter blades is studied. The RNG k-ε turbulence model and SIMPLE algorithm were applied to the steady simulation calculation of the flow field, and its result was used as the initial field of the large eddy simulation to calculate the unsteady pressure field. The FW-H noise model was adopted to predict aerodynamic noise in the six monitoring points. Fast Fourier transform algorithm was applied to process the pressure signal. Experiment of noise testing was done to further investigate the aerodynamic noise of fans. And then the results obtained from the numerical simulation and experiment were described and analyzed. The results show that the static characteristics of small axial fan with splitter blades are similar with the prototype fan, and the static characteristics are improved within a certain range of flux. The power spectral density at the six monitoring points of small axial flow fan with splitter blades have decreased to some extent. The experimental results show sound pressure level of new fan has reduced in most frequency bands by comparing with prototype fan. The research results will provide a proof for parameter optimization and noise prediction of small axial flow fans with high performance.     

炉膛中间截面边界条件对双切圆锅炉空气动力场计算的影响

大容量超超临界锅炉广泛采用单炉膛双切圆的空气动力组织方式,在计算流体力学软件FLUENT平台上,针对1GW超超临界单炉膛双切圆锅炉,计算了全炉膛和炉膛中间截面边界条件设为对称面和边壁条件的炉内空气动力场。计算表明,与标准κ-ε双方程模型相比雷诺应力模型(RSM)具有更高的计算精度;中间截面采用对称边界条件时,其流场分布规律与全炉膛模拟结果相似;中间截面为边壁条件时炉膛中间截面附近流速降低,但对整个炉膛流场影响较小;中间截面采用这两种边界条件均会导致1#、6#角射流衰减缓慢而冲刷炉膛前墙中间水冷壁。     

1200mm末级超长叶片全三维工程设计的数值研究

采用汽轮机全三维粘性流场计算程序，通过优化匹配静、动叶和合理选择流道内的各项气动参数，成功地完成了全速机组超长1200mm末级叶片的工程设计。对设计结果的数值验证表明，后加载的弯扭静叶片使得流道内的流动均匀加速，从而减小叶型与二次流损失，并为动叶提供优化设计方案。在动叶下半部分采用后部加载叶型，在上半部分采用专门设计的超音速叶型，可降低激波及激波与边界层相互作用损失。