1000MW超超临界汽轮机固体颗粒冲蚀特性的研究

摘要

随着电力需求的迅速增长、电力工业的迅猛发展以及电网容量的不断扩大，汽轮机正在朝着高参数、大容量的方向发展。然而随着大型机组蒸汽初温及压力的增大，锅炉过热器、主蒸汽管道等管道内壁的氧化过程加剧，管道内壁脱落的氧化物薄膜（主要成分为Fe3O4、Fe2O3）被高温高压的蒸汽携带入汽轮机中，对汽轮机调节级动静叶产生冲蚀，增大了叶片表面粗糙度，冲蚀严重时甚至会导致叶片产生缺口，使得机组经济性和安全性的急速下降。因此，开展超超临界汽轮机固体颗粒冲蚀（Solid Particle Erosion,简称SPE）特性的研究对电厂实际运行有重要指导意义。 本文采用三维数值模拟软件ANSYS-CFX，基于拉格朗日法和仅对稀相流有效的固体颗粒传输模型，对某1000MW超超临界汽轮机调节级动静叶片的SPE问题进行研究。主要的研究内容如下： （1）针对SPE导致汽轮机调节级静叶压力面粗糙度改变的问题，分析了不同叶面粗糙度下调节级气动性能的变化，结果表明：随着静叶表面粗糙度的不断增大，其静叶速度系数开始减小。且随着粗糙度的不断增大，静叶速度系数呈现先急速下降，后缓慢下降的趋势。在静叶出口截面处，总压损失系数随粗糙度的增加开始增大。级总效率随着叶片表面粗糙度的增大而呈现下降趋势，且下降的趋势随粗糙度的增加而减弱。随着粗糙度的增加，固体颗粒冲蚀静叶的最大冲蚀率密度增加，但冲蚀位置几乎不变。 （2）针对汽轮机调节级静叶受到固体颗粒严重冲蚀导致尾缘出现缺口的问题，分析了不同类型缺口下调节级气动性能的变化，结果表明：当静叶尾缘出现缺口后，总压损失系数、出口汽流角随缺口深度的增加而增加；且随着缺口深度的增加，动叶中尾缘处冲蚀加重，调节级效率迅速下降。缺口类型不同，效率下降趋势不同；缺口深度达到20mm，调节级效率最大可下降4.06%。当静叶尾缘出现不同类型缺口后，动叶上的固体颗粒冲蚀特性发生明显变化。当静叶尾缘出现C型缺口后，固体颗粒在动叶尾缘叶高中段区域冲蚀严重；当静叶尾缘出现D型缺口后，固体颗粒在动叶叶高上下两侧区域冲蚀严重；当静叶尾缘出现E型缺口后，固体颗粒在动叶叶高中段区域冲蚀严重。且随着缺口深度的增加，动叶中后缘处冲蚀加重。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题背景及意义

1.2 国内外研究进展

1.2.1 实验研究现状

1.2.2 数值研究现状

1.3 影响冲蚀磨损的主要因素

1.3.1 撞击角

1.3.2 粒子性能

1.3.3 材料性质

1.4 存在的主要问题

1.5 本文主要研究内容

第2章 数值计算与理论基础

2.1 网格生成技术

2.2 汽相流场的数值计算方法

2.2.1 控制方程

2.2.2 湍流模型

2.2.3 离散方法

2.2.4 动静交界面

2.3 固体颗粒冲蚀计算方法

2.3.1 固体颗粒的受力分析

2.3.2 固体颗粒的冲蚀计算方法

2.4 边界条件

2.5 本章小结

第3章 叶面粗糙度对汽轮机调节级静叶气动性能及冲蚀特性的影响

3.1 粗糙度

3.2 调节级叶片模型

3.3 网格划分及网格无关性验证

3.4 颗粒选取以及边界条件设定

3.5 叶面粗糙度对调节级静叶气动性能的影响

3.5.1 不同粗糙度下的静叶速度系数

3.5.2 不同粗糙度下的总压损失系数

3.5.3 不同粗糙度下的调节级总效率

3.6 叶面粗糙度对调节级静叶冲蚀特性的影响

3.6.1 叶面光滑情况下静叶的冲蚀率密度分布

3.6.2 不同粗糙度下的撞击速度

3.6.3 不同粗糙度下的撞击角度

3.6.4 不同粗糙度下的静叶冲蚀率密度分布

3.7 结果有效性验证

3.8 本章小结

第4章 静叶尾缘损伤下汽轮机调节级气动性能及固体颗粒冲蚀特性

4.1 调节级的叶片模型

4.2 颗粒选取以及边界条件设定

4.3 网格划分及无关性验证

4.4 不同静叶缺口对调节级气动性能的影响

4.4.1 不同缺口下的总压损失系数

4.4.2 不同缺口下的出口汽流角

4.4.3 不同缺口下的调节级总效率

4.5.1 未出现缺口时动叶的冲蚀率密度分布

4.5.2 不同缺口下的撞击速度

4.5.2 不同缺口下的撞击角度

4.5.3 不同缺口下动叶的冲蚀率密度分布

4.6 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士期间取得的研究成果及发表的论文

声明

致谢