軸流透平級與非軸對稱排汽系統(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中，排汽系統(tǒng)用于回收末級透平的余速動能。多年來的研究和實機運行情況表明，末級透平與排汽系統(tǒng)流場之間存在強烈的相互作用，這種相互作用影響透平和排汽系統(tǒng)的氣動性能以及葉片的運行安全。因此，需要進一步完善透平和排汽系統(tǒng)現(xiàn)有的氣動設(shè)計與分析系統(tǒng)，計入這種相互作用的影響。然而，目前國內(nèi)外在對軸流透平和非軸對稱排汽系統(tǒng)流場之間非定常相互作用機理的研究還不夠深入，無法滿足設(shè)計方面的要求。
　　 針對這一現(xiàn)狀，本文以包

2、括末級透平在內(nèi)的汽輪機排汽系統(tǒng)內(nèi)部流動的非軸對稱性和非定常性為重點，研究軸流透平級與非軸對稱排汽系統(tǒng)間流場的非定常相互作用。為此，本文搭建了帶有單級透平的排汽系統(tǒng)模型實驗臺，借助基于PXI技術(shù)和虛擬儀器的高頻響動態(tài)數(shù)掘采集系統(tǒng)，構(gòu)建了完整的用于進行非軸對稱非定常流動機理研究的實驗臺，并對三個典型工況下的軸流透平與排汽系統(tǒng)內(nèi)部流動參數(shù)進行了測量。為了補充和驗證實驗數(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。

3、在實驗測量和數(shù)值模擬結(jié)果基礎(chǔ)上，深入研究了排汽系統(tǒng)內(nèi)的菲軸對稱流場與透半葉片排流場、葉片表面非定常氣動力之間的關(guān)聯(lián)規(guī)律；探討了透平出口流場分布、排汽系統(tǒng)幾何結(jié)構(gòu)特征對其內(nèi)部非軸對稱流場和氣動性能的影響機理；分析比較了不同結(jié)構(gòu)排汽系統(tǒng)的氣動性能，探索了減少非軸對稱流場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)的非軸對稱流場使透平葉柵通道內(nèi)流場和葉片表面氣動力沿周向變化，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。實驗和數(shù)值模擬結(jié)果顯示，非軸對稱排汽系統(tǒng)內(nèi)流場分布對動葉表面非定常壓力的影響遠遠大于山透平動靜干涉帶來的影響，并且主要作用于葉片尾緣。透平入口流量系數(shù)增大時，透平靜葉表面非定常氣動力的高頻脈動分量減小，低頻脈動分量增強；透平動葉表面非定常氣動力的高頻脈動分量增大，低頻脈動分量降低。排汽系統(tǒng)內(nèi)流動的非定常性主要山擴壓器內(nèi)流動分離產(chǎn)生的旋渦引起，流動參數(shù)隨時間呈低頻變化，變化幅值較低。在排汽系統(tǒng)內(nèi)非定常流場的影響下，透平葉片表面壓

5、力具有相同頻率的脈動，該頻率的脈動幅值較小。當(dāng)擴壓器內(nèi)的旋渦增大時，排汽系統(tǒng)內(nèi)流場的非定常變化增強，對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，子午速度分量減小，致使擴壓器內(nèi)流動分離位置提前，擴壓器內(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，兩股氣流在出口附近相互摻混所產(chǎn)生的流動損失是造成蝸殼內(nèi)總壓損失的主要原

6、因。排汽系統(tǒng)擴壓器不同徑向高度位置，流動參數(shù)沿周向分布不同。由透平動葉葉頂間隙產(chǎn)生的頂部泄漏流增大了擴壓器外環(huán)端壁附近流速，但同時降低了排汽系統(tǒng)入口環(huán)面頂端流動參數(shù)由排汽系統(tǒng)非軸對稱流場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。
　　 在保持原排汽系統(tǒng)蝸殼不變基礎(chǔ)上，通過斜切擴壓器，縮短θ=0°處擴壓器的軸向長度或是給定適當(dāng)?shù)娜肟谛鹘欠植迹梢哉{(diào)整排汽系統(tǒng)內(nèi)氣流的流通路徑，改善擴壓器入口和排汽系統(tǒng)內(nèi)部