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轴流透平级与非轴对称排汽系统非定常相互作用研究

付经伦  
【摘要】: 单侧径向排汽的冷凝式汽轮机中,排汽系统用于回收末级透平的余速动能。多年来的研究和实机运行情况表明,末级透平与排汽系统流场之间存在强烈的相互作用,这种相互作用影响透平和排汽系统的气动性能以及叶片的运行安全。因此,需要进一步完善透平和排汽系统现有的气动设计与分析系统,计入这种相互作用的影响。然而,目前国内外在对轴流透平和非轴对称排汽系统流场之间非定常相互作用机理的研究还不够深入,无法满足设计方面的要求。 针对这一现状,本文以包括末级透平在内的汽轮机排汽系统内部流动的非轴对称性和非定常性为重点,研究轴流透平级与非轴对称排汽系统间流场的非定常相互作用。为此,本文搭建了带有单级透平的排汽系统模型实验台,借助基于PXI技术和虚拟仪器的高频响动态数据采集系统,构建了完整的用于进行非轴对称非定常流动机理研究的实验台,并对三个典型工况下的轴流透平与排汽系统内部流动参数进行了测量。为了补充和验证实验数据,采用CFD软件CFX数值模拟了带有全周透平叶栅通道的排汽系统内部流场。在实验测量和数值模拟结果基础上,深入研究了排汽系统内的非轴对称流场与透平叶片排流场、叶片表面非定常气动力之间的关联规律;探讨了透平出口流场分布、排汽系统几何结构特征对其内部非轴对称流场和气动性能的影响机理;分析比较了不同结构排汽系统的气动性能,探索了减少非轴对称流场周向不均匀度的方法。本文的主要研究结论如下: 排汽系统内的非轴对称流场使透平叶栅通道内流场和叶片表面气动力沿周向变化,并使透平叶片表面感受到与透平转速相同的低频压力脉动。实验和数值模拟结果显示,非轴对称排汽系统内流场分布对动叶表面非定常压力的影响远远大于由透平动静干涉带来的影响,并且主要作用于叶片尾缘。透平入口流量系数增大时,透平静叶表面非定常气动力的高频脉动分量减小,低频脉动分量增强;透平动叶表面非定常气动力的高频脉动分量增大,低频脉动分量降低。排汽系统内流动的非定常性主要由扩压器内流动分离产生的旋涡引起,流动参数随时间呈低频变化,变化幅值较低。在排汽系统内非定常流场的影响下,透平叶片表面压力具有相同频率的脉动,该频率的脉动幅值较小。当扩压器内的旋涡增大时,排汽系统内流场的非定常变化增强,对透平表面非定常压力的影响也更明显。 当排汽系统入口环面根部出现较大的旋流角或总压降低时,子午速度分量减小,致使扩压器内流动分离位置提前,扩压器内出现较大的旋涡。排汽系统入口环面顶部位置附近流入的气流在排汽蜗壳内由X-Z平面两侧分别向排汽系统出口方向流动,两股气流在出口附近相互掺混所产生的流动损失是造成蜗壳内总压损失的主要原因。排汽系统扩压器不同径向高度位置,流动参数沿周向分布不同。由透平动叶叶项间隙产生的项部泄漏流增大了扩压器外环端壁附近流速,但同时降低了排汽系统入口环面顶端流动参数由排汽系统非轴对称流场引起的周向变化幅值。随着透平入口流量系数增大,叶顶泄漏流的影响加强。 在保持原排汽系统蜗壳不变基础上,通过斜切扩压器,缩短θ=0°处扩压器的轴向长度或是给定适当的入口旋流角分布,可以调整排汽系统内气流的流通路径,改善扩压器入口和排汽系统内部流场沿周向的不均匀分布,同时增大排汽系统的扩压能力。


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