非轴对称端壁涡轮叶栅内湿蒸汽流动特性研究

摘要

随着科技的不断进步，人们对于动力机械中能量转化效率的问题也愈发重视，而蒸汽轮机作为火力发电以及舰艇驱动中重要的动力装置，如何提高其运行效率一直都是科研工作中最优先考虑的问题。由于工质为水蒸气，在真实的流动现象中，蒸汽轮机叶栅的内部不仅存在着叶轮机械里不可避免的二次流问题，同时也存在着复杂的水蒸气相变问题。因此，减小蒸汽轮机内部的二次流损失以及湿蒸汽损失对于未来高性能蒸汽轮机的设计具有极其重要的意义。
　　由于非轴对称端壁造型控制叶栅中二次流损失的机理是改变了叶栅中的压力场分布，而压力场的改变也能够影响水蒸气的凝结。为了研究如何同时控制二次流和湿蒸汽这两种损失，在本文中尝试对White叶栅的下端壁进行非轴对称端壁造型的改造。在研究的开始，首先确定选用了基于三角函数法的端壁造型方法，使用了这种端壁造型方法的叶栅能够在不同的轴向位置生成不同高度的非对称端壁造型，本文中构造的数值模型，网格数为80万，采用SST湍流模型，通过将数值计算结果与实验结果进行对比，证明本文采用SST湍流模型计算得到的结果是可靠的。
　　在本文第三章中一共建立了九种不同的模型，通过对这九种不同算例的模拟，并将结果同原型叶栅进行对比，可以发现当非轴对称端壁造型位于叶栅中部时，叶栅中二次流损失和湿度均有所减少，其中，造型峰值位于叶栅中部时，峰值占5％叶高的方案可以使22%叶高以下的二次流损失减少2.1%，使30%叶高以下的湿度减少1.2%；峰值占10%叶高的方案可以使26%叶高以下的二次流损失减少3.5%，使30%以下叶高的湿度减少5.3%。
　　同时，在本文中，还对控制效果较好的两个造型方案进行了攻角适应性验证，从数值模拟的结果可以看出，应用了非轴对称端壁造型的White叶栅攻角适应性良好。在正攻角来流条件下，20%以下叶高的二次流损失略有增加，但是叶栅出口截面处平均气动参数变化不大；在负攻角来流条件下，叶栅内不仅二次流损失减小，叶片吸力面侧近端壁处高压区域随着攻角增大面积逐渐变大，并且逐渐向叶栅中后部移动，使得叶栅吸力面中部的凝结现象得到了抑制。

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第1章 绪 论

1.1 课题研究的背景和意义

1.2 国内外蒸汽轮机湿蒸汽控制简介

1.3 国内外二次流控制研究现状

1.4 本文主要研究内容

第2章数值计算方法与验证

2.1 引言

2.2 CFD软件简介

2.3控制方程

2.4 湍流模型

2.5 壁面函数

2.6 多相流模型

2.7 蒸汽自发凝核及液滴生长模型

2.8 本章小结

第3章 非轴对称端壁造型的数值模拟

3.1 引言

3.2 数值建模

3.3 网格无关性验证

3.4 非轴对称端壁造型对于涡轮叶栅二次流控制作用的分析

3.5 非轴对称端壁造型对于涡轮叶栅水蒸气凝结抑制作用的分析

3.6 本章小结

第4章 具有非轴对称端壁结构的透平叶栅的变工况特性分析

4.1 引言

4.2 不同来流攻角下叶栅气动特性

4.3 凝结特性分析

4.4 本章小结

结论

参考文献

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致谢