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。     

中压进汽腔的流场数值模拟比较

通过数值模拟计算,对中压对称进汽和切向进汽两种结构的流场进行了分析比较,结果表明,单一切向进汽腔的总压损失更小,出口汽流角的周向分布均匀度更好。更进一步,为整体评估中压进汽腔的流场以及对叶片级的流动影响,对中压进汽腔及第1级叶片的整体流体域流场情况进行了分析比较,结果表明,采用大几何角静叶的切向进汽腔气动性能最优;当采取切向进汽腔时,需合理选择第1级静叶几何角并耦合计算,才能实现进汽腔的气动优化。     

汽轮机阀门活动试验工况下高压第一级动叶热应力分析

针对阀门活动试验工况下的叶片安全问题,以某1 000 MW核电汽轮机组高压缸第一级动叶片及其进汽腔为研究对象,通过商业仿真软件ANSYS,对机组额定工况以及95%和85%额定工况下的阀门活动试验工况进行了数值模拟,并通过瞬态流-热-固耦合方法,对进汽腔后第一级动叶进行了热应力及变形分析。结果表明：在全周进汽下,调节阀关闭使进汽腔后出现非均匀流场,动叶热应力受流场影响有较大波动,3种工况下叶片所受极值热应力在18～55 MPa之间,叶片瞬态最大变形量在0.498～0.52 mm之间;降低至机组额定功率的95%和85%进行阀门试验,使叶片平均极值热应力分别上升15.1%和23.2%,由于热应力极值小于材料的疲劳极限,认为95%和85%额定功率下的阀门活动试验对叶片安全运行产生威胁不大。     

汽轮机调节级后过渡腔室的CFD数值研究

汽轮机调节级进汽流具有非均匀性和非周期性,其计算较为复杂且对整个机组的运行效率有较大影响。基于此,以某超临界机组为例,对调节级、高压第一级及中间过渡腔室进行全周数值计算,并分析了汽轮机调节级后两种过渡腔室的气动性能,为提高机组运行效率奠定了基础。     

不同阀序工况超超临界汽轮机调节级汽流弯应力数值分析

应用ANSYS-CFX商业软件对某超超临界汽轮机带进汽室调节级流场进行三维定常数值模拟,采用插值方法将流场计算得到的动叶壁面静压分布转化为叶片有限元模型表面各个节点的汽流力,计算对比了调节级不同阀序工况下的叶片汽流弯应力。计算结果表明:1阀全开工况、2阀对开工况、2阀顺开工况和3阀全开工况的最大汽流弯应力分别约为4阀全开工况的10倍、3倍、3倍和2倍。     

深度调峰工况下600 MW汽轮机低压缸流场数值计算与分析

为了解某600MW发电机组汽轮机低压缸在深度调峰工况下流场情况,建立了汽轮机低压缸7级叶片模型,采用数值模拟的方法进行了6种工况的计算和分析,得到了6种不同进汽参数下低压缸整个流场和末级叶片温度场的分布情况,并分析了低压缸进汽流量、进汽温度对整个流场和末级叶片温度的影响。结果表明:低压缸在质量流量为140t/h时,排汽出口开始出现回流,且出口区域底部最早出现回流;小流量工况下,末级叶片的最高温度出现在静叶片叶顶出汽边附近,且进汽流量越小,回流越严重,叶片表面温度越高;降低低压缸进汽温度,可有效改善鼓风效应并降低末级叶片表面温度。     

某电厂汽轮机低压缸零出力供热工况低压末级叶片流场特性分析

以某电厂350MW供热机组为研究对象,机组进行低压缸零出力改造后低压缸进汽流量骤降,最低流量仅为20t/h,导致运行工况远远偏离设计值而影响末级叶片的安全性,运用数值模拟软件CFX,分析了不同低压缸进汽流量下末级叶栅流场特性。结果表明,低压缸进汽流量在20t/h时,末级叶栅气流脱离严重,当流量为500t/h时,末级叶栅流场光滑平稳,模拟结果对供热机组低压缸零出力改造具有一定指导性意义。     

静叶尾迹对汽轮机级内流场影响的数值分析

采用计算流体动力学软件,数值模拟了汽轮机高压级内的非定常流场,研究了静叶尾迹向下游流场传播和掺混的过程以及对叶顶汽封泄漏流的影响规律。研究结果表明:静叶尾迹在传播过程中会产生拉伸、扭曲和扩散,致使动叶通道内呈现出复杂的非定常流动。静叶尾迹和动静干涉作用影响汽封入口周向的压力波动,并加剧了围带面动压的强弱变化。受静叶尾迹影响,动叶出口的各项流动损失都呈现出周期性的变化规律。     

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。     

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.     

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。     

中压进汽腔体内部流场的数值研究

实际运行环境中汽轮机对称通流部件产生的非对称流场将导致叶片排内部流场发生变化。针对某超超临界机组的中压缸进汽腔体进行了详细的数值模拟,结果显示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,容易进入非对称流场结构,这在前期的模型实验中也得到了验证。主要通过增加壁面的粗糙度和改变壳体的进口收缩结构,来进一步分析腔体内部流场的特征,为优化中压进汽腔体提供参考。     

汽轮机调节级多工况下三维流场数值研究

汽轮机调节级的部分进汽特性,不仅影响到机组的气动性能和效率,而且还对其安全性产生一定程度的影响。基于三维黏性可压缩雷诺时均Navier-Stokes(N-S)方程,采用结构化六面体网格,运用有限容积法,构造了带有进汽室和加强筋的300MW汽轮机调节级三维黏性可压缩计算模型,针对不同运行工况下调节级内部复杂流动进行了详细研究。分析发现:调节级进汽室内部流动损失较大;进汽段下游动叶通道静压分布合理,内部流动顺畅,而非进汽段动叶通道内部流动紊乱,熵增明显,部分进汽带来的损失较大;部分进汽度越小,效率降低越快,尤其是一阀进汽时,效率急剧下降。     

汽轮机排汽通道喷水减温对末级流场的影响

汽轮机超低负荷运行时,末级的鼓风工况导致汽轮机排汽超温,因此需要对排汽通道进行喷水减温。采用欧拉-拉格朗日质子追踪法对排汽通道内喷水减温的传热传质特性进行了数值研究,分析了喷水减温对末级流场的影响。结果表明:排汽通道内的流场具有蒸汽与减温水温差小、蒸汽流动速度快的特点,导致减温水的蒸发量极小。喷水对动静间隙涡和分离涡的影响不明显,但增加了回流涡的高度和流速。同时,喷水使末级压力增加,动叶压比增大,导致动叶消耗的轴功降低。     

汽轮机补汽阀结构设计数值模拟研究

补汽阀技术是一项提高机组调频灵活性、提高效率和可靠性的成熟技术,大功率汽轮机组常采用补汽调节阀技术来提高输出功率。补汽会影响汽轮机内部蒸汽流动,使级的气动性能降低。针对汽轮机补汽对主通道蒸汽流动的影响,参考某660MW汽轮机补汽阀结构,建立三维数值计算模型,研究补汽结构的流场分布情况,分析补汽对汽轮机级气动性能的影响,提出切向-轴向进汽补汽结构模型。数值计算结果表明:相比于径向进汽模型,切向-轴向模型能使补汽后一级静叶环形截面速度和压力分布均匀程度得到明显改善,这有利于提高汽轮机级效率。     

汽轮机轴封漏汽对调节级静叶栅二次流及出口流场的影响

以一台３００ＭＷ汽轮机组的调节级静叶栅为研究对象,就轴封漏汽对叶栅二次流及出口流场的影响进行了数值模拟,计算结果表明,漏汽加快了叶栅出口区域二次流动的衰减,使出口气流角沿叶高方向的分布产生较大变化,对损失系数的分布影响较小。     

侧向进汽对下游级组性能影响的数值研究

通过对某可调侧向进汽机组全三维流场计算分析发现:侧向进汽会导致下游级组扭矩和流量沿周向分布不均匀,在相同的进出口条件下,侧向进汽的影响级组通流能力明显减小,减少了11.9％,输出功率减少28.4％,效率降低18.8％;相同进出口流量条件下,动叶局部最大扭矩为均匀进汽的1.55倍左右,对叶片强度提出了较高的要求,效率降低17.9％.对侧向进汽机组的设计要充分考虑周向不均匀特性对机组气动性能的影响和对强度考核的要求.为侧向进汽机组通流设计提供了一定参考和指导方向.     

光热汽轮机低压进汽结构气动性能分析与优化设计

为满足新能源汽轮机低压进汽系统的开发,采用数值求解三维Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS)方程研究了耦合第一级的光热汽轮机低压进汽结构的气动性能,并对无叶通道进行了优化设计,同时考虑了不同蒸汽调节阀结构对低压进汽系统通流能力的影响。结果表明:原始低压进汽结构会造成较宽跨度的静叶进汽攻角和较大的进汽不均匀度,最大汽流角分布在蜗壳的左右两侧;优化的策略在于增大进汽弯管的出流面积和倾角,通过减小滞止涡来降低汽流角跨度和进汽不均匀度,这样可以有效地改善第一级静叶进口的汽流组织;随着调节阀门偏心度的增加,蒸汽阀通流能力增大,且总压损失降低。研究方法和结果为高性能光热汽轮机通流设计提供了技术支撑。     

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.     

汽轮机排汽通道内导流元件对其性能影响的数值研究

考虑到单独模拟与排汽通道耦合模拟结果的差异性,利用数值计算软件模拟汽轮机排汽缸和凝汽器喉部耦合流动,得到更加精确的通道流场,在此基础上通过添加导流板优化排汽通道性能。计算结果表明,无论排汽通道进口汽流是直流还是旋流,在排汽通道上游(排汽缸缸顶)、中游(排汽缸出口)、下游(喉部)适当加装导流板均能有效改善通道内流场,但直流进汽时的改造效果更加明显,同时,越靠近上游,汽阻优化效果越明显,而在下游添加挡板则更有利于提高出口流场的均匀度。