汽轮机低压排汽缸气动性能的数值研究

汽轮机排汽缸的气动研究进展前言汽轮机低压排汽缸是连接汽轮机末级叶片和凝汽器的重要部件。

一般由扩压器和蜗壳组成，图(1)为典型的汽轮机排汽缸结构图。

排汽缸的主要作用是将末级排汽引导到凝汽器，同时对汽流扩压，从而将末级排汽的余速动能转化为压力能。

在凝汽器压力给定的条件下，排汽缸通过降低汽轮机末级叶片的出口静压，增加汽轮机组的可用焓降，从而提高机组的热效率。

文献[1]指出：低压排汽缸的损失几乎和汽轮机低压缸动静叶损失相持平。

故设计高效率的低压排汽缸有利于汽轮机组热效率的进一步提高。

排汽缸内部结构复杂，其内往往含有轴承箱、扩压器、导流板以及为提高刚性而采用的加强筋、柱等结构，漩涡运动为排汽缸内三维流动的主要特征，也是气动损失的来源。

排汽缸的气动性能受扩压器、排汽蜗壳的几何形状，导流板、加强件的几何及布置方式，以及来流条件等多种因素的影响[2]。

多年来，研究者对排汽缸进行了多方面的研究，提出了一系列的改进措施。

研究现状试验研究通常对排汽缸的试验研究采用全尺寸试验和模型试验的方法来研究其气动特性，全尺寸试验需要花费大量的人力物力，难以成为试验的的主要手段，模型试验在排汽缸的试验研究中应用较为广泛。

陈洪溪等[3]对大型空冷汽轮机低压排汽缸几何尺寸对气动性能的影响进行了试验研究，指出在设计低压排汽缸的轴向尺寸时，应尽可能采取措施增加轴向长度，以保证排汽缸具有一定的扩压能力，同时，适当增加环形扩压器出口直径Ф会使排汽缸静压恢复系数有不同程度的增加，在设计扩压器流道时，应遵循扩散时少转弯、转弯时少扩散的原则，并且提供了针对末级径高比3.5-4.2时扩压器设计的参考参数。

JIRI LINHART等[4]对扩压器壁面防分离措施进行了研究，指出壁面纵向开槽对防止气流分离非常有效。

随着计算机及计算流体力学（CFD）的发展，排汽缸的数值计算结果越来越接近实际结果，排汽缸的数值模拟成为研究排汽缸内三维流场结构、探究损失机理及提高排汽缸气动性能的重要方法。

低压排汽缸气动优化设计摘要：结合三阶贝齐尔曲线参数化方法、静压恢复系数评价方法、拉丁立方试验设计、三阶响应面近似模型及Hooke-Jeeves直接搜索算法的组合优化策略,基于iSight优化软件平台,建立了排汽缸外导流环优化设计系统。

以静压恢复系数最大为目标完成了单独排汽缸优化设计,采用数值求解三维Reynolds-Averaged Navier-Stokes （RANS）方程的方法验证了耦合低压末级和排汽缸结构的排汽缸优化设计系统的有效性。

结果表明,基于优化设计系统进行的优化设计,使得排汽缸静压恢复系数相对于初始排汽缸提高了61.1%,排汽缸蜗壳内的静压损失明显减小,从而验证了排汽缸优化设计的有效性和耦合低压末级对排汽缸气动性能分析的必要性。

关键词：排汽缸；静压恢复；优化设计；数值模拟中图分类号：TK474.7文献标志码：A文章编号：0253-987X（2015）03-0019-06冷凝式汽轮机排汽缸的主要功能是将低压末级出口的蒸汽动能转化为压力能,在凝汽器真空度给定的条件下,可降低末级出口截面处的静压,增加末级的出力,提高汽轮机机组的热效率。

大功率汽轮机低压缸末级出口平均绝对马赫数为0.5～0.8,其排汽动能约占机组总焓降的1.5%,如果能有效地回收、利用这部分能量,可以使机组的热效率提高约1%。

因此,高性能排汽缸设计是提高汽轮机能量转换效率的重要技术手段。

图1给出了典型的大功率汽轮机低压缸三维结构图。

静压恢复主要在排汽缸的扩压器导流环中完成,还有一部分在排汽缸的蜗壳中完成。

蒸汽在该结构的排汽缸内流动是先轴向再径向流向凝汽器。

科研人员采用实验测量和数值模拟等方法研究了排汽缸内的三维流动形态和损失产生机理。

随着优化设计方法和计算机技术的进步,提高排汽缸静压恢复系数的优化设计得到了发展。

陈川等采用正交试验设计、二次多项式响应面近似评价方法和二次规划的组合优化策略对排汽缸进行了优化设计,以提高排汽缸的静压恢复能力。

第23卷　第6期　2003年12月动　力　工　程POW ER EN G I N EER I N GV o l .23N o.6　D ec .2003　 文章编号:100026761(2003)0622740204大型空冷汽轮机低压排汽缸几何尺寸对气动性能的影响陈洪溪,　薛沐睿(上海发电设备成套设计研究所,上海200240)摘　要:在多年试验研究的基础上,归纳和总结了大型空冷汽轮机低压排汽缸几何尺寸对其气动性能的影响规律,并提供了排汽缸的轴向尺寸、环形扩压管形状尺寸、蜗壳横向宽度及蜗壳上半缸形状尺寸等方面的优化选型的原则和建议,为空冷汽轮机的设计提供了有意义的参考依据。

图3关键词:空冷汽轮机;低压排汽缸;几何尺寸;气动性能中图分类号:T K 263.1 文献标识码:A 收稿日期:2003204214 修订日期:2003206224作者简介:陈洪溪(19762),男,上海发电设备成套设计研究所高级工程师。

近年来,随着国内外电力市场的需要,大型空冷汽轮机技术也不断地得到了广泛的应用和发展。

作为空冷汽轮机关键技术之一的低压排汽缸优化设计也愈来愈引起人们的重视。

为了满足国内制造厂的需要,我们对国内生产的大功率空冷汽轮机低压排汽缸气动性能进行了大量的试验研究,为生产提供了切实可行的优化设计方案和建议。

本文根据多年的试验结果,归纳和分析了空冷汽轮机排汽缸的几何尺寸对其气动性能的影响及某些变化规律,为汽轮机设计者提供参考。

与常规循环水冷却的汽轮机不同,空冷机组由于背压提高,排汽温度增大,低压缸缸体因温差膨胀而引起转子径向位移变化增大,从而导致低压缸轴系振动的变化。

因此解决好轴系振动是空冷机组设计的关键。

为了保证机组的安全运行,低压缸轴承座间距及支撑方式是空冷机组首要考虑的因素,因而它限制了低压排汽缸轴向长度的选取。

另外,空冷汽轮机低压通流部分的容积流量的变化范围随环境温度的影响很大,这也是空冷机组的主要特点之一,因而空冷汽轮机低压缸一般选择较小的末级动叶高度。

燃气轮机发动机气动特性与性能分析研究燃气轮机发动机的气动特性和性能是关键的研究内容。

对于燃气轮机发动机来说，气动特性是指发动机的气动流场和摩擦阻力等方面的性能。

而性能是指发动机工作质量和功率输出等方面的表现。

气动特性影响因素燃气轮机发动机的气动特性不仅受到外界流场的影响，也受到内部部件的影响。

在外界流场方面，飞行速度、气压、气温、湍流强度等都会对气动特性产生影响。

在内部部件方面，叶轮、燃烧室、排气管等部件形状和大小也会对气动特性产生影响。

气动特性分析方法为了准确地分析燃气轮机发动机的气动特性，在计算方法上需要使用三维数值模拟方法，如CFD计算方法。

CFD可以对流场内的流场变量进行求解和计算，从而获取燃气轮机发动机的流场结构和流量分布等信息，进而预测和计算燃气轮机发动机的性能。

性能分析影响因素燃气轮机发动机的性能包括其工作质量和功率输出等方面的表现。

对于工作质量来说，它可以用来测量发动机的热效率和功率密度。

而功率输出是指发动机能够输出的实际功率。

燃气轮机发动机的性能主要受到了以下三个方面的影响：1. 气动效率：气动效率是指发动机从进气口到出口进行实际功率输出的能力。

发动机气动效率越高，实际功率输出就越大。

2. 热效率：热效率是指发动机在燃烧过程中将热能转换为机械能的能力。

发动机热效率越高，实际功率输出也就越大。

3. 动力性：动力性是指发动机在工作中能够平稳输出功率的能力。

它受到了燃烧室、喷嘴、涡轮等部件的影响。

性能分析方法为了更加准确地分析燃气轮机发动机的性能，通常使用不同的计算方法，如设计方法和实际操作方法。

设计方法可以通过分析原理和理论等方面，来为发动机提供准确的设计参数。

实际操作方法可以通过试验记录和分析等方面来获取发动机的实际参数，从而更好地了解其性能表现。

结论总之，燃气轮机发动机的气动特性与性能是燃气轮机发动机研发和应用的重要技术内容。

通过分析燃气轮机发动机的气动特性和性能，我们可以更好地了解燃气轮机发动机的真实性能表现和潜在问题。