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蒸汽及燃气透平内部真实气体流动问题的研究

林智荣  
【摘要】:蒸汽透平中的湿蒸汽流动降低了级运行效率,同时也造成了叶片可靠性下降。由于湿蒸汽的性质极其复杂,且往往伴随着凝结相变的发生。目前对湿蒸汽流动的机理还缺乏全面的认识和相应的分析工具,设计者需要凭借经验对湿蒸汽级的设计参数进行修正。燃气透平中的燃气温度变化非常大,特别是在带有气膜冷却的前几级中,冷却气与燃气间约有700~800℃的温差,此时燃气不能简单的当作比热比为常数的完全气体处理。 考虑到蒸汽透平中的湿蒸汽与燃气透平中的高温变比热比燃气,其性质都与完全气体模型有很大的偏离,建立了可用于数值分析中描述湿蒸汽及变比热比燃气的真实气体模型。以LU-SGS-GE隐式格式为基础,重新构造了考虑真实气体性质的LU-SGS-GE-RG隐式格式。建立了湿蒸汽凝结流动的数理模型,其中包括Reynolds平均的Navier-Stokes方程、q-ω双方程湍流模式以及四方程凝结模型共11个偏微分方程,采用新的LU-SGS-GE-RG隐式格式以及高精度高分辨率的MUSCL TVD格式,编写了相应的数值求解软件包。对Laval缩放喷管中的湿蒸汽超音速自发凝结流动以及无限大平板上的气膜冷却流动进行的数值模拟验证了本文建立的数理模型以及相应数值算法的可靠性和精确度。 对某蒸汽透平末级中的湿蒸汽凝结流动进行了数值模拟,并将数值模拟得到的出口参数分布与实验测量值进行了详细的对比分析。实验测量值表明湿蒸汽级静叶出口处有较强的尾迹区,使用完全气体模型预测出的尾迹偏弱,而平衡态湿蒸汽模型则能够给出与实验相近的结果,由于实验没有测量出来流的水珠分布,本文假定的边界条件导致了该算例非平衡态湿蒸汽模型给出的结果介于上述两者之间。对流场的详细分析表明,非平衡态湿蒸汽模型对来流边界条件比较敏感。 最后本文数值模拟了某燃气透平叶栅中的气膜冷却流场,计算得到的气膜冷却效率与实验测量值有较好的一致性。 综上所述,本文建立的真实气体流动分析系统能够比较准确的模拟蒸汽及燃气透平中复杂的湿蒸汽和燃气流场,为进一步研究湿蒸汽流动的机理打下了良好的基础,同时也为蒸汽及燃气透平的设计优化提供了更准确的湿蒸汽流场及气膜冷却流场分析工具。


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