超臨界機(jī)組調(diào)節(jié)級導(dǎo)葉和高壓級實(shí)驗(yàn)及改型數(shù)值研究.pdf

1、發(fā)展超臨界汽輪機(jī)組是火電行業(yè)落實(shí)“十一五”規(guī)劃綱要中提出的“節(jié)能減排”國策的主要措施之一。通過采用現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)，例如子午收縮以及葉片的彎扭掠等對在線運(yùn)行的超臨界汽輪機(jī)組進(jìn)行改型設(shè)計(jì)，可以進(jìn)一步提高該類機(jī)組的相對內(nèi)效率，降低煤耗，減少排入大氣的NOx等有害氣體。同時(shí)由于超臨界汽輪機(jī)組是從國外引進(jìn)的設(shè)計(jì)，借助改型設(shè)計(jì)也能為我國研制具有獨(dú)立知識產(chǎn)權(quán)的超臨界汽輪機(jī)組提供技術(shù)儲(chǔ)備。
　　欲對國外引入的超臨界汽輪機(jī)組（原型）進(jìn)行改型設(shè)計(jì)，首先

2、必須消化吸收其先進(jìn)的設(shè)計(jì)理論與經(jīng)驗(yàn)。為此，本文選擇原型兩典型級的具有代表性的三套葉柵，即調(diào)節(jié)級的導(dǎo)向葉柵以及第八壓力級的靜、動(dòng)葉柵作為實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮诘退亠L(fēng)洞上進(jìn)行靜態(tài)吹風(fēng)實(shí)驗(yàn)。盡管實(shí)驗(yàn)條件未能滿足模化理論要求，但仍能相對地根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析原型葉柵的氣動(dòng)性能，確認(rèn)其設(shè)計(jì)思想。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也用于校核數(shù)值模擬軟件。
　　應(yīng)用五孔球頭測針詳細(xì)測量了不同沖角下三套葉柵氣動(dòng)參數(shù)沿葉高和節(jié)距的分布。采用墨跡顯示技術(shù)，顯示了三套葉柵壁面（包括葉片表

3、面和上下端壁）極限流線譜。通過對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的理論分析，討論了葉片前緣形狀、載荷分布、葉片彎掠以及沖角對葉柵氣動(dòng)性能的影響。
　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，具有子午收縮外端壁的調(diào)節(jié)級導(dǎo)向葉柵沿葉高形成的靜壓分布是均勻的，即抑制了邊界層的徑向流動(dòng)又抵消了吸力側(cè)出口逆壓梯度段的不利影響；而其后部加載特性可以顯著降低流道前部和中部的橫向壓力梯度，削弱了端壁橫向二次流動(dòng)與吸力側(cè)壁角分離；在±10°沖角范圍內(nèi)，總流動(dòng)損失變化不大，說明實(shí)驗(yàn)葉柵具有良好的沖角

4、適應(yīng)性。在第八壓力級靜、動(dòng)葉柵的設(shè)計(jì)中，采用沿葉高改變吸力面最低壓力點(diǎn)軸向位置的后部加載葉型和正彎葉片，顯著降低了上下端壁附近葉片的氣動(dòng)負(fù)荷，從而減小了兩端壁上的橫向壓力梯度，端部流動(dòng)損失被降至最低。此外，葉片的正彎還分別在壓力面和吸力面上形成了沿葉高的“C”型靜壓分布，使吸力側(cè)壁角易堆積的邊界層低能氣體均勻地?cái)U(kuò)散進(jìn)入主流，抑制了葉柵的壁角分離。由葉片表面流動(dòng)顯示可以看出，沿絕大部分葉高葉片型面邊界層無徑向流動(dòng)，說明在這兩套葉柵中徑向二

5、次流很小。
　　為了進(jìn)一步提高超臨界汽輪機(jī)的氣動(dòng)性能，創(chuàng)立有自主知識產(chǎn)權(quán)的設(shè)計(jì)技術(shù)，本文應(yīng)用經(jīng)上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)校核的NUMECA軟件，分別對調(diào)節(jié)級導(dǎo)向葉柵和第八壓力級靜、動(dòng)葉柵進(jìn)行了改型設(shè)計(jì)，通過數(shù)值仿真考察了彎扭掠全三維設(shè)計(jì)技術(shù)對葉柵氣動(dòng)性能的影響。最后，對第八壓力級進(jìn)行了掠葉片的匹配設(shè)計(jì)，數(shù)值研究了掠葉片級的設(shè)計(jì)工況性能。
　　調(diào)節(jié)級導(dǎo)葉改型設(shè)計(jì)的仿真結(jié)果表明，調(diào)節(jié)級導(dǎo)葉采用正或反彎葉片，葉柵的流動(dòng)損失大致相同，但正彎葉片氣

6、動(dòng)參數(shù)沿葉高的分布比反彎葉片均勻。在不對上端壁進(jìn)行防磨處理的情況下，建議采用正彎葉片。與正、反彎葉片比較，具有凸型子午收縮的原型導(dǎo)向葉柵流動(dòng)效率最高，氣動(dòng)參數(shù)沿葉高的分布也最均勻，在對上端壁進(jìn)行防磨處理后，宜采用子午收縮調(diào)節(jié)級導(dǎo)葉。
　　第八級靜、動(dòng)葉采用軸向掠葉片設(shè)計(jì)的仿真結(jié)果顯示：與原型靜、動(dòng)葉柵比較，靜葉柵采用后掠葉片時(shí)的流動(dòng)損失稍有降低，動(dòng)葉柵采用后掠葉片時(shí)總的流動(dòng)損失與原型動(dòng)葉柵的流動(dòng)損失大致相同，因?yàn)樵谌~柵中部氣流比端

7、部在上游進(jìn)入流道，在相同軸向位置葉柵中部氣流有較大的降壓比，因此沿葉高形成了兩端高中間低的壓力分布，即“C”型壓力分布。將聚集在葉柵兩端低能邊界層流體擴(kuò)散進(jìn)主流，從而減少了低能流體在端壁壁角的堆積。而前掠靜、動(dòng)葉片的采用則有相反的結(jié)果，會(huì)增加總流動(dòng)損失。由于氣流在葉柵兩端比葉展中部先進(jìn)入流道，所以在相同軸向位置，形成沿葉高的中間大兩端小的反“C”型壓力分布，將葉片表面低能邊界層流體推向兩端壁角，邊界層內(nèi)低能流體堆積在兩端，加重了葉柵吸力