汽轮机低压排汽缸流场的数值模拟研究

摘要

汽轮机低压排汽缸是连接汽轮机末级叶栅通道出口和凝汽器的主要部件，其主要功能包括两点:第一点是将从汽轮机末级叶片排出的蒸汽合理导流入凝汽器中;第二点是回收末级排出蒸汽的余速动能，将其转换为压力能。汽轮机排汽缸的气动特性直接影响到末级出口背压、凝汽器喉部入口的汽流情况，进而影响到汽轮机组的热效率。本文深入研究了排汽缸的内部流场结构、损失来源以及末级叶栅通道和排汽缸的相互影响，为优化提高排汽缸的气动特性，从而进一步改善汽轮机组的整体效率有重要意义。
　　首先，对进口直流和不同旋流情况下某低压排汽缸模型内部流动进行数值模拟，分析内部流动结构。结果表明:排汽缸内汽流动能的回收过程主要在扩压管中完成，另外排汽缸内部复杂的涡系结构是造成总压损失的主要原因，其中通道涡的影响最大。通过对比不同进口旋流程度下的计算结果可发现:一定的汽流旋流角能够提高扩压管的扩压能力，但会使得排汽缸内流动呈非对称性分布，导致排汽缸出口处汽流分布不均匀度增加。
　　为了改善排汽缸的气动性能，使用对扩压管的导流环型线进行重新设计和在蜗壳内部安装导流挡板的方法进行处理。计算结果表明:通过减小外导流环型线初始扩散角的方法有效抑制了扩压通道内汽流在外导流环壁面附近的分离现象，显著提高了扩压管扩压性能;而蜗壳内的挡板会破坏通道涡的结构，抑制通道涡的发展，但导致排汽缸内汽流结构和出口处汽流分布情况更为复杂。
　　为了使排汽缸进口汽流条件更接近真实情况，本文进行了末级叶栅通道和排汽缸的耦合数值模拟。研究结果表明，在末级叶栅和排汽缸之间存在很强的相互作用，排汽缸的非对称结构会导致末级叶栅内流动存在周向不一致性，且距离排汽缸进口位置越远受到的影响越小;而末级叶栅出口汽流的不均匀分布会显著影响扩压管内汽流分离情况和蜗壳内部的流动结构;但能提高扩压管的静压恢复性能。
　　最后，本文研究了不同排汽缸进口条件下出口汽流流动情况对下游凝汽器喉部内流动结构的影响。数值模拟结果表明:凝汽器喉部进口汽流条件会显著影响内部流动结构和喉部出口处汽流分布情况，进而会影响凝汽器的换热情况。特别是排汽缸出口的通道涡结构在凝汽器喉部内流动时，受低压加热器的影响，会形成更加复杂的涡系结构。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 排汽缸的实验研究

1．2．2 排汽缸的数值研究

1．2．3 排汽缸的优化设计

1．3 本文主要内容

第二章 数值方法

2．1 数值模拟的流程

2．2 数值求解方法

2．3 控制方程

2．4 湍流模型

2．5 本章小结

第三章 排汽缸内部流动情况分析

3．1 几何模型及计算方法

3．1．1 轴向-径向排汽缸的几何模型

3．1．2 网格划分

3．1．3 计算模型及边界条件

3．2 排汽缸的气动性能参数

3．3 计算结果分析

3．3．1 扩压管的流动分析

3．3．2 排汽缸内涡系结构分析

3．4 进口旋流角对排汽缸内部流动的影响

3．4．1 进口旋流角定义

3．4．2 计算结果与分析

3．5 本章小结

第四章 排汽缸的优化设计

4．1 导流环形状变化对排汽缸气动性能的影响

4．1．1 导流环优化改型方案

4．1．2 导流环型线优化结果分析

4．2 排汽缸内部导流挡板对排汽缸气动性能的影响

4．2．1 导流挡板安装方案

4．2．2 计算结果与分析

4．3 本章小结

第五章 低压排汽缸与末级叶栅的耦合计算分析

5．1 末级叶栅模型

5．2 叶栅通道计算结果分析

5．3 排汽缸内部流动分析

5．3．1 排汽缸扩压管段的流动分析

5．3．2 蜗壳内流动分析

5．4 本章小结

第六章 排汽缸出口汽流对凝汽器喉部内流动的影响

6．1 凝汽器喉部流场的数值模拟

6．1．1 凝汽器喉部单独计算模型简介

6．1．2 计算结果分析

6．2 排汽缸与凝汽器喉部的耦合流动

6．2．1 排汽缸与凝汽器的耦合计算模型简介

6．2．2 计算结果及分析

6．3 末级叶栅、排汽缸、凝汽器喉部三者耦合计算

6．3．1 末级叶栅、排汽缸、凝汽器喉部耦合计算模型

6．3．2 计算结果与分析

6．4 本章小结

第七章 结论与展望

7．1 全文总结

7．2 工作展望

参考文献

致谢

硕士期间主要研究成果