汽轮机末级非定常流动数值模拟及汽流激振力研究

摘要

现代透平机械正朝着高参数、高性能、高可靠性的方向发展，其内部流场的研究越来越引起科研人员的重视，原本建立在相对简化的定常流动假设下的研究方法和设计手段已不能满足更高性能指标的要求，因此对透平机械非定常问题的探究已然是大势所趋。然而引起非定常流动的因素众多，本文针对某国产150MW大型汽轮机低压缸末级所产生的固有非定常现象----动静干涉效应进行了初步研究，探索其相互作用机理，同时对非定常流动造成的流体激振现象做了分析，希望可以对今后非定常设计体系的成熟完善提供支持。 本文通过大量阅读和整理文献资料，介绍了透平机械内部非定常流动的国内外研究及发展现状，并采用NUMECA商用软件包进行数值模拟。首先对设计工况下低压缸末级的流动作定常模拟并做简要流场分析，然后以得到的定常结果为初场进行非定常的数值模拟，最后结合非定常流场状况及激振力频谱分析图作出详细分析。结论主要如下：⑴非定常数值模拟与定常数值模拟相比，能够更加精确地描述末级的流动状况。结果显示在设计工况下转静子间的非定常相互作用强烈，动静干涉作用是导致叶片表面负荷分布变化的主要原因。⑵上游静叶的压力势场、出口尾迹以及尾缘激波等三方面因素都可以造成动叶片表面的压力脉动。⑶通过非定常方法得到的等熵效率比定常方法略低而且效率随时间呈周期性波动。可推断非定常模拟能够得到能更精确地等熵效率，从而对相关设计工作提供更好的指导。⑷动叶根部受到的非定常特性最明显，从动叶根部到动叶顶部非定常特性逐渐减弱。由非定常流动引发的汽流激振力也是从根部到顶部逐渐减弱，因而动叶根部的安全运行状况最令人担忧⑸通过合理优化叶型、设计静动叶轴向间距，排布组织流场状况，可以有效的减少由动静干涉效应引起的非定常流动影响，从而达到减小非定常流动带来的汽流激振力的影响的目的。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 背景及意义

1．2 研究难点

1．3 国内外研究现状及发展动态分析

1．4 本文的工作

第2章 NUMECA软件简介及数值计算方法

2．1 NUMECA软件包简介

2．2 数值方法介绍

2．2．1 基本方程

2．2．2 湍流模型

2．2．3 时间推进方法

2．2．4 转静子交界面处理方法

2．3 小结

第3章 低压缸末级三维定常流动的数值模拟

3．1 计算区域及网格设置

3．2 边界条件

3．3 数值计算方法

3．4 计算结果分析

3．4．1 周向相对总压损失系数分布

3．4．2 周向平均相对马赫数及S1流面马赫数分布云图

3．4．3 静压系数分布

3．5 本章小结

第4章 末级非定常流动数值模拟及激振力频谱分析

4．1 数值计算方法

4．2 非定常流场结果和分析

4．2．1 动叶表面静压分布

4．2．2 静叶出口静压沿周向分布

4．2．3 S1流面熵、Math数及静压分布

4．3 等熵效率

4．4 非定常流动引起的激振力频谱分析

4．4．1 快速傅里叶变换(FFT)原理

4．4．2 对非定常流场做FFT的意义

4．4．3 疲劳应力点非定常流场FFT后的周期性汽流力频谱分析

4．5 本章小结

第5章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

在学期间发表论文和参加科研情况

致谢