軸流透平級(jí)與非軸對(duì)稱排汽系統(tǒng)非定常相互作用研究.pdf

1、單側(cè)徑向排汽的冷凝式汽輪機(jī)中，排汽系統(tǒng)用于回收末級(jí)透平的余速動(dòng)能。多年來的研究和實(shí)機(jī)運(yùn)行情況表明，末級(jí)透平與排汽系統(tǒng)流場(chǎng)之間存在強(qiáng)烈的相互作用，這種相互作用影響透平和排汽系統(tǒng)的氣動(dòng)性能以及葉片的運(yùn)行安全。因此，需要進(jìn)一步完善透平和排汽系統(tǒng)現(xiàn)有的氣動(dòng)設(shè)計(jì)與分析系統(tǒng)，計(jì)入這種相互作用的影響。然而，目前國內(nèi)外在對(duì)軸流透平和非軸對(duì)稱排汽系統(tǒng)流場(chǎng)之間非定常相互作用機(jī)理的研究還不夠深入，無法滿足設(shè)計(jì)方面的要求。
　　 針對(duì)這一現(xiàn)狀，本文以包

2、括末級(jí)透平在內(nèi)的汽輪機(jī)排汽系統(tǒng)內(nèi)部流動(dòng)的非軸對(duì)稱性和非定常性為重點(diǎn)，研究軸流透平級(jí)與非軸對(duì)稱排汽系統(tǒng)間流場(chǎng)的非定常相互作用。為此，本文搭建了帶有單級(jí)透平的排汽系統(tǒng)模型實(shí)驗(yàn)臺(tái)，借助基于PXI技術(shù)和虛擬儀器的高頻響動(dòng)態(tài)數(shù)掘采集系統(tǒng)，構(gòu)建了完整的用于進(jìn)行非軸對(duì)稱非定常流動(dòng)機(jī)理研究的實(shí)驗(yàn)臺(tái)，并對(duì)三個(gè)典型工況下的軸流透平與排汽系統(tǒng)內(nèi)部流動(dòng)參數(shù)進(jìn)行了測(cè)量。為了補(bǔ)充和驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用CFD軟件CFX數(shù)值模擬了帶有全周透平葉柵通道的排汽系統(tǒng)內(nèi)部流場(chǎng)。

3、在實(shí)驗(yàn)測(cè)量和數(shù)值模擬結(jié)果基礎(chǔ)上，深入研究了排汽系統(tǒng)內(nèi)的菲軸對(duì)稱流場(chǎng)與透半葉片排流場(chǎng)、葉片表面非定常氣動(dòng)力之間的關(guān)聯(lián)規(guī)律；探討了透平出口流場(chǎng)分布、排汽系統(tǒng)幾何結(jié)構(gòu)特征對(duì)其內(nèi)部非軸對(duì)稱流場(chǎng)和氣動(dòng)性能的影響機(jī)理；分析比較了不同結(jié)構(gòu)排汽系統(tǒng)的氣動(dòng)性能，探索了減少非軸對(duì)稱流場(chǎng)周向不均勻度的方法。本文的主要研究結(jié)論如下：
　　 排汽系統(tǒng)內(nèi)的非軸對(duì)稱流場(chǎng)使透平葉柵通道內(nèi)流場(chǎng)和葉片表面氣動(dòng)力沿周向變化，并使透平葉片表面感受到與透平轉(zhuǎn)速相同的低頻

4、壓力脈動(dòng)。實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果顯示，非軸對(duì)稱排汽系統(tǒng)內(nèi)流場(chǎng)分布對(duì)動(dòng)葉表面非定常壓力的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于山透平動(dòng)靜干涉帶來的影響，并且主要作用于葉片尾緣。透平入口流量系數(shù)增大時(shí)，透平靜葉表面非定常氣動(dòng)力的高頻脈動(dòng)分量減小，低頻脈動(dòng)分量增強(qiáng)；透平動(dòng)葉表面非定常氣動(dòng)力的高頻脈動(dòng)分量增大，低頻脈動(dòng)分量降低。排汽系統(tǒng)內(nèi)流動(dòng)的非定常性主要山擴(kuò)壓器內(nèi)流動(dòng)分離產(chǎn)生的旋渦引起，流動(dòng)參數(shù)隨時(shí)間呈低頻變化，變化幅值較低。在排汽系統(tǒng)內(nèi)非定常流場(chǎng)的影響下，透平葉片表面壓

5、力具有相同頻率的脈動(dòng)，該頻率的脈動(dòng)幅值較小。當(dāng)擴(kuò)壓器內(nèi)的旋渦增大時(shí)，排汽系統(tǒng)內(nèi)流場(chǎng)的非定常變化增強(qiáng)，對(duì)透平表面非定常壓力的影響也更明顯。
　　 當(dāng)排汽系統(tǒng)入口環(huán)面根部出現(xiàn)較大的旋流角或總壓降低時(shí)，子午速度分量減小，致使擴(kuò)壓器內(nèi)流動(dòng)分離位置提前，擴(kuò)壓器內(nèi)出現(xiàn)較大的旋渦。排汽系統(tǒng)入口環(huán)面頂部位置附近流入的氣流在排汽蝸殼內(nèi)由X-Z平面兩側(cè)分別向排汽系統(tǒng)出口方向流動(dòng)，兩股氣流在出口附近相互摻混所產(chǎn)生的流動(dòng)損失是造成蝸殼內(nèi)總壓損失的主要原

6、因。排汽系統(tǒng)擴(kuò)壓器不同徑向高度位置，流動(dòng)參數(shù)沿周向分布不同。由透平動(dòng)葉葉頂間隙產(chǎn)生的頂部泄漏流增大了擴(kuò)壓器外環(huán)端壁附近流速，但同時(shí)降低了排汽系統(tǒng)入口環(huán)面頂端流動(dòng)參數(shù)由排汽系統(tǒng)非軸對(duì)稱流場(chǎng)引起的周向變化幅值。隨著透平入口流量系數(shù)增大，葉頂泄漏流的影響加強(qiáng)。
　　 在保持原排汽系統(tǒng)蝸殼不變基礎(chǔ)上，通過斜切擴(kuò)壓器，縮短θ=0°處擴(kuò)壓器的軸向長(zhǎng)度或是給定適當(dāng)?shù)娜肟谛鹘欠植?，可以調(diào)整排汽系統(tǒng)內(nèi)氣流的流通路徑，改善擴(kuò)壓器入口和排汽系統(tǒng)內(nèi)部