工业汽轮机气动设计及弯叶片作用研究

摘要

能源的高效利用顺应国家节能减排和发展可再生能源、清洁能源的政策，也是科学研究者与工程设计师为之奋斗终身的目标。工业汽轮机作为国民经济生产中重要的动力设备，其性能与稳定性对能源的高效利用有着至关重要的影响。随着结构、强度、制造等相关技术的进步，工业汽轮机的性能提升潜力也在扩展，从科学研究与工程实际应用的角度出发，深入地研究和探讨高水平且高效地进行工业汽轮机设计的方法、优化和完善设计系统和设计流程、以及通过气动仿真技术研究设计参数对内部流场和整机性能的影响，具有重大的实用价值。数值模拟技术的成熟应用推动了工业汽轮机设计技术的发展，从孤立的叶型设计、叶片设计到准三维设计、考虑实际结构的全三维设计，国内外同行学者的研究不断深入。然而，工业汽轮机的形式是多种多样的，涉及到湿蒸汽两相流动(叶片水蚀的主要因素)，亚声速、跨声速和超声速流动，甚至是两种蒸汽的混合流动。鉴于蒸汽流动的复杂性，一些问题仍有待于进一步深入研究。为此，本文基于工业汽轮机的实际应用，进行了弯叶片在降低水蚀危险性和提高超声速流动性能方面的研究，并探索提高混合流动性能的设计方法。这些研究对于以现代先进技术提高工业汽轮机设计水平是非常必要的，也有利于实现能源的高效利用。
　　本研究主要内容包括：⑴针对凝汽式工业汽轮机中常见的动叶片水蚀问题进行了湿蒸汽两相流动研究。为选取适用于本文水蒸气两相流动的数值方法，采用相关文献中气液两相流动实验数据作为对照，建立了能准确描述两相流动的研究方法，并以此方法研究了气液两相流动机理以及弯叶片对二次水滴运动特性的影响。考虑到流场结构直接决定了导致水蚀的二次水滴的运动特性以及弯叶片对流场的影响，以汽轮机制造厂评估水蚀危险性的经验公式和材料力学中金属侵蚀率公式为衡量标准，研究了能够降低水蚀危险性并且具有较高气动性能的弯叶片设计方法。⑵针对超声速流动问题，以平面叶栅实验数据验证了研究方法的准确性。开展了弯叶片对激波结构影响的研究，对工业汽轮机中跨声速、超声速流动条件下的弯叶片设计进行了数值研究。在此基础上进一步研究了可凝结超声速流动，比较了平衡凝结与非平衡凝结两种研究方法的差异，重点研究了弯叶片对水蒸气非平衡凝结的影响，特别是对激波和凝结波的影响，提出了以弯叶片设计提高水蒸气可凝结超声速流动性能的方法。⑶研究了工业汽轮机补汽结构的混合流动问题。基于“T”型通道流动混合实验研究数据验证了研究方法，并开展了参数化研究。通过“T”型通道流动混合损失的研究结果及相关结论，对蒸汽混合总压损失进行了详细研究，分析了对总压损失有重要影响的结构参数。为提高混合流动性能，设计了一种截面为椭圆型且沿周向截面面积渐缩的补汽结构，改进后的补汽结构能够有效均化补汽沿周向的密流分布及混合后蒸汽的流动方向，标准偏差计算结果表明混合后的蒸汽密流沿周向分布更加均匀。改进设计对于提高整机性能是有利的。⑷总结了工业汽轮机的应用条件、设计特点，分析了损失模型的特点和计算方法，并以此搭建了气动设计平台。基于工业汽轮机的设计特点给出了设计流程以及气动设计理念、设计准则和数据库的组成。以此设计平台完成了某型工业汽轮机的改造，设计结果确认了此设计平台能够实现高水平、高效的设计，达到了预期目标。

目录

符号表

第1章 绪论

1.1 课题来源

1.2 研究背景及意义

1.3 工业汽轮机研究现状

1.4 弯叶片研究现状

1.5水蚀与流动问题研究现状

1.6 本文研究内容及框架

第2章 弯叶片对湿蒸汽及水蚀的影响

2.1 引言

2.2 多相流计算方法

2.3 计算方法可靠性验证

2.4 弯叶片对二次水滴运动特性的影响

2.5 水蚀危险性研究

2.6 本章小结

第3章 弯叶片对超声速流动的影响

3.1 引言

3.2 计算方法可靠性验证

3.3 弯叶片对超声速级的影响

3.4 弯叶片对超声速两相流动的影响

3.5 本章小结

第4章 结构参数对混合流动性能的影响

4.1 引言

4.2 计算方法可靠性验证与研究

4.3 补汽结构研究

4.4 改进设计

4.5 本章小结

第5章 工业汽轮机气动设计平台及应用

5.1 引言

5.2 气动设计平台完善

5.3 设计流程

5.4 气动设计理念与设计准则

5.5 气动设计数据库

5.6 双背压工业汽轮机的设计

5.7 本章小结

结论

本文研究得到如下结论：

本文的特色和创新之处在于：

对今后研究的展望：

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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