轴流式无叶喷嘴透平级内流动及级特性

初步研究了轴流式无叶喷咀透平级的级内流动问题,根据气动基本方程建立了级内流动计算方法,编制了计算程序进行了流埸计算.对同一叶轮的有叶喷咀和无叶喷咀两种透平级的特性进行了对比实验,实验结果表明轴流式无叶喷咀透平级具有良好的实用价值.     

轴流无叶喷嘴透平级的流线迭代法计算

本文导出了适合于无叶喷嘴透平级流线迭代计算的损失模型及流动控制方程组,并据此编制了理想和有损失流的流线迭代计算程序.利用该程序对轴流无叶喷嘴分别进行了理想流和有损失流的数值计算,计算结果与实验值吻合良好.     

考虑气动和湿汽损失综合影响的低压多级透平优化

针对叶轮机械多级透平优化的问题,在考虑湿蒸汽透平中气动损失和湿汽损失的综合影响的基础上,采用响应面方法对某300 MW汽轮机低压缸末三级透平进行了优化。优化变量为末三级静叶的安装角和型线沿叶高的积叠规律,安装角优化通过改变多级透平级之间的压力平衡,来改变湿蒸汽透平级内过冷度的分布,降低非平衡热力学损失和水滴的直径,使得末三级的湿汽损失减小了20.71%,由此获得了通过调整低压透平静叶安装角从而减小湿汽损失的方法。静叶积叠规律的优化中通过改善反动度沿叶高的分布、减小叶根边界层分离和降低二次流损失提高了气动效率,同时引起级内过冷度和出口流速沿叶高变化,使一次水滴和二次水滴的直径减小,导致气动损失降低了0.52%,湿汽损失进一步降低了9.48%。该结果可为多级透平优化提供参考。     

轴流无叶喷咀的流动效率对级特性的影响

对不同效率的三套无叶喷嘴与同一动轮所组成的三个级进行了级特性试验,测量了级间参数沿叶高的分布和级特性曲线,得出了某些与常规透平完全不同的参数分布规律,为无叶喷嘴透平级的设计方法和设计提供了有益的参考数据.     

轴流无叶喷嘴环内部流动与损失的研究

在前人工作基础上[1-6],本文进一步分析了轴流式无叶喷咀环内部气流流动,推导出它的流动方程,进行了流埸计算.对不同喷咀环型线进行了实验,测定出喷咀环出口损失系数及其分布,测出了喷咀环壁面静压分布及出口气流角沿径向的分布,并与流埸计算结果进行了比较,提出了合理选择喷咀型线以减小损失的方法及控制损失分布的措施,在一定范围内提供了设计用的经验数据.     

非轴对称端壁透平级气动性能的数值研究

采用双控制型线方法对高负荷低展弦比透平级完成了非轴对称端壁造型设计;采用RANS方程和考虑转捩模型的SST紊流模型对轴对称端壁透平级和非轴对称端壁透平级进行了气动性能的分析和对比.结果表明:非轴对称端壁造型设计方法通过降低周向压力梯度减小了透平级的二次流损失,提高了透平级效率达0.16％;静叶流场的变化引起了动叶进口条件的改变,从而导致动叶进口压力和反动度增大.     

轴流无叶喷嘴出口子午倾角对级特性的影响

本文对3套不同出口子午倾角的轴流无叶喷嘴出口气流参数分布规律进行了比较,初步分析了这种三维边界层的结构,并据此引入了环量损失修正系数,以更准确地反映损失对气流参数的影响;通过对压力的径向平衡计算,分析了各因素对压力分布的影响,并提出用大的内环出口倾角来控制根部边界层内α_1角的过分增大。本文实验用的喷嘴型线变化范围比较广,得出的参数分布较有规律,对轴流无叶喷嘴透平的流型设计有较高的参考价值。     

动叶叶顶迷宫刷式密封的透平级气动性能研究

针对透平级叶顶泄漏损失大的问题,提出了将叶顶迷宫密封设计成迷宫刷式密封结构的设计方案,旨在减少叶顶泄漏量和提高气动效率。采用基于非线性多孔介质模型的RANS方程数值方法,研究了实验测量的迷宫刷式密封的泄漏量,数值预测泄漏量与实验测量数据吻合良好,验证了数值方法的可靠性。基于1.5级透平级动叶叶顶迷宫密封结构,将第1个、最后1个迷宫长齿设计成刷丝束的前置、后置迷宫刷式密封结构,对比分析了迷宫刷式密封刷丝束间隙为0～0.4 mm时,1.5级透平级的叶顶间隙泄漏量和气动效率。研究结果表明:前置、后置叶顶迷宫刷式密封在减少泄漏量和提高透平级气动效率方面相似;与叶顶迷宫密封相比,叶顶迷宫刷式密封在刷丝束间隙为0.4 mm时泄漏量减少了18%,透平级效率提高了0.6%;叶顶密封间隙损失主要包括腔室耗散和出口腔室黏性损失;相比于叶顶迷宫密封,叶顶迷宫刷式密封减小了气流相对偏转角,导致密封出口泄漏流与动叶出口主流掺混损失减少;叶顶迷宫刷式密封通过减少出口腔室黏性损失从而提高透平级气动效率。     

多分流喷咀叶栅气动变分有限元分析

在蒸汽透平的高压级中,喷咀叶栅的高宽比相当小,一般l/B<1,端损比较严重。为了减少这种损失,本文提出一种新的由主、分流叶片组成的多分流喷咀叶栅结构,以改善高压级喷咀叶栅的气动性能。为了对这种多分流喷咀叶栅进行全流场计算,本文采用了较先进的气动变分有限元方法。以国产30万千瓦机组高压第一压力级为例,对实际运行的带矩形加强筋的窜喷咀结构,带锥形加强筋的窄喷咀结构以及由主、分流叶片组成的多分流喷咀叶栅结构进行了全流场的气动有限元计算。从计算所得的速度分布曲线可知,带矩形加强筋的窄喷咀结构的气动性能最差,而由主、分流叶片组成的多分流喷咀叶栅的气动性能最好,它是改善蒸汽透平高压级热经济性的有效途径。     

透平级的变工况及热力计算

本文给出了透平级变工况的一种新理论计算方法.讨论了转速为零、最大反动度时及转矩为零的一些特殊工况,以及透平级的临界与极限工况.画出了透平级变工况的综合特性图.另外根据所推导的方程式,讨论了透平级的牵引外特性,介绍了保证气流轴向出口时轴流式及向心式透平级的设计计算,以及复速级热力计算的新方法.文中又给出一种新的透平级空间流动参数计算方法.最后介绍了作者在某工厂实验透平上进行试验所得到的一些数据,并对试验装置、测量仪表数据及加工方法作了介绍.     

间隙泄漏对透平级气动性能影响的数值研究

为提高透平级气动性能设计水平,采用数值求解三维Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS)方程和Spalar-Allmaras(S-A)方程湍流模型的方法,针对三级实验透平级开展了包括动叶叶顶间隙、静叶叶根与转轴间隙(隔板间隙)和动叶叶根与轮盘间隙(叶根间隙)的泄漏流动对透平性能影响的数值研究。研究结果表明:与不考虑所有间隙的纯通流三级透平相比,动叶叶顶和隔板间隙泄漏流使透平总静效率降低了0.62%,但同时动叶叶根与轮盘间隙泄漏流动使透平总静效率提高了0.28%,适当的叶根间隙泄漏有利于透平效率的提升;动叶枞树型叶根与轮盘的间隙泄漏影响叶根端区附近主流与泄漏流交互作用的方向;主流与泄漏流之间的"吸"与"漏"影响叶片端区附近二次流的分布与发展,进而引起叶片端区能量损失系数的变化。     

采用边界层抽吸方法提高透平通流部分效率

介绍采用边界层抽吸提高透平通流部分效率的方法，给出了叶栅部次流损失与来流边界导位移厚度间的定量关系，通过边界层计算和透平级通流计算，确定合理的抽吸流量和相关的透平级通流部分主要结构尺寸，分析对透平极效率及热力特性的影响，对２００ＭＷ汽轮机高压缸的计算表明，主要抽吸技术，可使缸效率提高０．４％左右。     

间隙结构对轮缘密封封严性能及透平级气动性能影响的数值研究

采用数值求解三维RANS方程和SST湍流模型的方法,研究了间隙结构对轮缘密封封严性能以及封严射流对透平级气动性能的影响。首先,分别对Aachen的一级半透平以及实验测得的轴向轮缘密封结构进行了数值计算,验证了所用数值方法在透平级气动性能以及密封封严性能方面计算的有效性。在此基础上,分析对比了5种封严射流流量下出口面积相同的直缝间隙、倾斜间隙,以及在倾斜间隙基础上改型得到的渐缩、渐扩间隙等4种密封结构的封严性能和封严射流对透平级气动性能的影响。结果表明,轮缘密封间隙结构会影响到间隙射流,进而导致不同间隙结构下透平级总压损失不同。与直缝间隙相比,倾斜间隙可以有效减小封严射流造成的总压损失,同时具有较高的封严性能;渐缩、渐扩间隙的封严性能与倾斜间隙相近,其中渐扩间隙可以更为有效地减小封严射流造成的气动损失。     

亚音速环形喷咀叶栅中径向压力梯度对根部损失影响的研究

本文旨在提出一种能够考虑叶栅内部径向压力梯度影响的计算喷咀叶栅根部损失的方法。为此,在环形喷咀叶栅中,通过改变叶栅径向压力梯度,对马赫数M_(1H)=0.48～0.56范围内,计算和测量了喷咀流道内的压力分布,实测了不同径向压力梯度下叶片根部损失的变化。计算采用有限元方法,并近似地分段考虑了流动熵增积累效应。计算和实验表明,在实验范围内,径向压力梯度对根部二次流损失的影响仍然是可观的,必须加以考虑。     

微型向心透平级速比与DN值的最优选择

基于向心透平轮周效率的表达式,利用解析法分析了微型向心透平级速比和反动度的匹配关系,研究了关键参数变化对匹配结果的影响,对从级速比派生出的叶轮进口直径与转速的乘积值(DN值)这一参数进行了选取分析.结果表明:在向心透平设计时,级速比必须与反动度进行匹配选择,单纯选择级速比不能使向心透平具有较高的轮周效率;对于不同的微型向心透平叶轮结构,级速比选取范围不同,径向一轴流式为0.64～0.72,纯径向式为0.72～0.80,级速比为0.72可作为这两种叶轮结构形式选择时的分界点;叶轮DN值能直接反映出叶轮材料、结构形式、设计工况、叶轮尺寸以及轴承轴系等因素,这些因素直接关系向心透平能否实现微型化,因此叶轮DN值是一个高度集中的参数,在微型向心透平设计中可替代级速比.     

隔板位置对透平级凹槽叶顶传热和冷却性能的影响

采用数值方法研究了燃气透平第1级动叶带3种双凹槽的叶顶传热与冷却性能,双凹槽叶顶的隔板位于凹槽25%、50%和75%弦长位置且垂直于弦长方向(叶顶结构分别称为rib25,rib50和rib75),并与常规凹槽叶顶的透平级内效率、叶顶传热系数、叶顶气膜冷却有效度进行了对比。结果表明,在无气膜冷却时,不论是常规凹槽叶顶还是双凹槽叶顶,在凹槽底部前缘均存在高传热系数区域;相比于常规凹槽叶顶,双凹槽叶顶可以提高透平级的总等熵效率,其中rib50的气动性能最好,总等熵效率可以提高0.43%,但叶顶平均传热系数增大13.7%;叶顶中弧线位置布置气膜冷却孔后,由于叶片的旋转作用和凹槽隔板的限制,使冷气在凹槽内积累,对凹槽底部形成良好的气膜冷却效果;相对于传统凹槽叶顶,3种双凹槽叶顶的气膜冷却效率显著提高,其中rib50的气膜冷却有效度最大并且气动性能最好,带rib50叶顶的透平级内等熵效率可以提高0.36%,叶顶平均传热系数减小14.4%,叶顶平均气膜冷却有效度提高31.8%。     

小功率燃气透平转速的选择

本文叙述如何以气体流动观点来选择燃气透平的转速：一方面要保证透平级得到所希望 的叶片高度,另一方面要保证透平级得到透平理论所指出的速度比。按照这些观点推出选择 透平转速的公式。这些公式特别适用于小功率的自由活塞式燃气轮机装置及普通双轴燃气轮 机装置中的“负荷透平”。     

毫米级微型透平的气动优化设计研究

对叶轮直径为10 mm的微型透平进行了3种叶轮型线设计,并应用数值模拟进行了分析比较.主要考察3种方案气动性能的优劣,以此研究毫米级微型透平设计时适用的基本型线.在此基础上对设计方案3进行了气动优化设计,研究了提高毫米级微型透平总--静效率的可行方法.结果表明:在3种设计方案中,叶轮叶片中弧线向反旋转方向弯曲的方案3更适于高速运行,具有较高的效率与功率,是最优的设计方案;随着膨胀比增大,毫米级微型透平的余速损失增加,如追求高的总--静效率,需要选取较低的膨胀比;毫米级微型透平的尾管进出口面积比对透平总体性能有较大的影响,在热力设计时不应忽略,尾管进出口面积比在1左右时,透平总--静效率最高.     

波力发电威尔斯透平的试验及设计计算

本文概述了目前常见的波力发电用威尔斯透平平面叶栅分析计算法,提出了用模拟脉冲气流装置进行涡轮试验来设计计算威尔斯透平的方法。本文最后对千瓦级波力发电装置威尔斯透平的方案设计进行了计算机程序计算举例。     

透平叶栅非轴对称端壁优化设计

为减小透平叶栅二次流损失、提高气动效率,建立了结合透平叶栅非轴对称端壁造型双控制型线参数化方法、全局优化自适应差分进化算法和基于Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS)方程求解技术的叶栅气动性能评价方法于一体的透平叶栅非轴对称端壁优化设计体系,同时验证了全局优化自适应差分进化算法和透平叶栅气动性能评价方法的可靠性和准确性。以透平叶栅总压恢复系数最大化为优化目标,在出口气流角和质量流量的约束及叶栅非轴对称端壁三维参数化控制点共20个设计变量下,完成了透平叶栅非轴对称端壁造型优化设计。研究结果表明,优化后得到的非轴对称端壁造型可有效减少透平叶栅的二次流损失,使叶栅总压恢复系数提高0.25%,证明所提出的设计体系是有效的,可为透平叶栅非轴对称端壁优化提供设计工具。