汽轮机通流部分的数值分析及热经济性诊断方法研究

摘要

汽轮机通流部分的损失严重影响着汽轮机的经济性，研究汽轮机通流部分损失产生的机理和诊断应达值的确定，实现汽轮机通流部分的热经济性诊断，对于提高汽轮机的效率，促进电厂的节能减排，具有非常重要的意义。
　　 首先，针对目前汽轮机转子转速对汽封内流场影响尚无定论的现状，对汽轮机隔板汽封的泄漏机理及隔板汽封间隙内蒸汽的流动特性作深入的研究，重点研究转速对汽封内蒸汽流场的影响程度。结果表明，汽轮机转子的转动效应对汽封内部流动及漏汽量的影响要远远小于汽封结构参数的影响。
　　 其次，利用数值模拟方法研究叶顶间隙变化对泄漏量和泄漏涡运行轨迹的影响、叶顶泄漏流在吸力面出口与主流的掺混情况、以及叶顶泄漏涡强度沿转子轴向的变化规律，并探讨了大涡模拟方法在这方面的应用。结果表明，叶顶泄漏流造成了主流通道内流体的非定常流动。泄漏流对主流所造成的影响经历了从弱变强再从强变弱的周期性变化过程。通道内的二次涡则经历了靠近吸力面到远离吸力面再到靠近吸力面的过程;二次涡的影响范围经历了从弱变强再从强到弱的周期性过程。随着叶顶间隙的增大，泄漏涡的强度和影响范围也在增大。大涡模拟可以很好的捕捉泄漏涡的形成、脱落和尾涡的相互作用，对研究泄漏涡和各涡系之间的非定常相互干涉有很好的帮助。
　　 同时，对排汽缸和带有内置式低压加热器及汽动给水泵小汽机排汽的凝汽器喉部内的流动进行耦合数值分析，考虑湿蒸汽热力行为及不同进汽条件，更加真实准确的反映排汽通道内流场的分布情况。结果表明，随着进汽湿度的增加，排汽通道内流动的能量损失系数逐渐降低;随着旋流强度增加，排汽通道内流动的能量损失系数降低;随着进汽角增大，排汽通道能量损失系数也下降。
　　 最后，对汽轮机通流部分热经济性诊断的指标及其应达值的确定方法进行研究。结果表明，汽轮机采用回热循环或再热循环后，汽轮机的相对内效率和理想循环热效率之间存在较强的耦合性，汽轮机的相对内效率不能准确反映通流部分的运行经济状态。建议采用级组的相对内效率来反映通流部分的运行经济状态，并给出了级组的相对内效率应达值的确定方法。尤其针对处于湿蒸汽区的最末级组的相对内效率应达值很难确定的问题，提出采用BP神经网络方法进行解决，为实现汽轮机通流部分的热经济性诊断奠定了基础。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究的背景及意义

1．2 目前研究现状及存在问题

1．2．1 汽轮机通流部分径向间隙内流动的数值研究

1．2．2 汽轮机排汽通道内的流动研究

1．2．3 汽轮机通流部分的热经济性诊断

1．3 本文的主要工作

第2章 三维湍流流动的数值计算方法

2．1 计算流体力学简介

2．2 控制方程

2．3 三维湍流数值计算方法

2．3．1 直接数值模拟

2．3．2 雷诺平均统计模式

2．3．3 湍流大涡数值模拟

2．4 粘性湍流模型

2．4．1 标准k-ε模型

2．4．2 RNG k-ε模型

2．4．3 标准k-ω模型

2．4．4 k-ωSST模型

2．5 湿蒸汽流动方程

2．6 相变模型

2．7 网格生成技术

2．8 边界条件

2．8．1 流体进口边界条件

2．8．2 流体出口边界条件

2．8．3 壁面边界条件

2．8．4 对称边界条件

2．8．5 周期性边界条件

2．8．6 动静交界面边界条件

2．9 本章小结

第3章 汽轮机隔板汽封内部流场的数值分析

3．1 隔板汽封漏汽损失的计算分析

3．2 几何模型及求解模型

3．2．1 几何建模及网格划分

3．2．2 基本控制方程及湍流模型

3．2．3 流体物性及边界条件

3．2．4 模型准确性验证

3．3 动静态下压比对汽封性能的影响分析

3．3．1 同一压比下转速对流场的影响分析

3．3．2 不同压比下转速对漏汽量的影响分析

3．4 动静态下汽封间隙对汽封性能的影响分析

3．4．1 汽封间隙对流场的影响分析

3．4．2 汽封间隙对漏汽量的影响分析

3．5 动静态下汽封齿数对汽封性能的影响分析

3．5．1 静态下齿数及布置对汽封性能的影响分析

3．5．2 动态下齿数及布置对汽封性能的影响分析

3．6 本章小结

第4章 汽轮机叶顶间隙内流场的数值分析

4．1 物理模型的建立和网格划分

4．1．1 计算用叶片的几何尺寸

4．1．2 计算用叶栅通道几何模型

4．1．3 网格划分

4．2 汽轮机叶顶间隙大小变化时定常流动的数值分析

4．2．1 计算方法和边界条件

4．2．2 极限流线的分析

4．2．3 叶顶间隙区域轴向截面的流动特性分析

4．2．4 动叶叶顶和吸力面处的压力分布分析

4．2．5 动叶出口截面压力损失系数分布分析

4．2．6 动叶出口截面湍动能分析

4．2．7 不同叶高位置下的压力系数分析

4．3 流量变化时的数值模拟结果与分析

4．3．1 吸力面压力分布分析

4．3．2 叶顶截面压力分布分析

4．4 汽轮机叶顶间隙内非定常流动的数值分析

4．4．1 前处理、计算收敛准则和时间

4．4．2 叶顶间隙大小为1mm时模拟结果与分析

4．4．3 不同间隙大小时的模拟结果与分析

4．5 汽轮机叶顶间隙内泄漏流动的大涡模拟

4．5．1 大涡模拟概述

4．5．2 计算方法和网格

4．5．3 不同间隙大小动叶叶顶处的瞬态压力分布

4．5．4 不同间隙大小95％叶高截面瞬时轴向速度分布

4．6 验证

4．6．1 定常计算结果的验证

4．6．2 非定常计算结果的验证

4．7 本章小结

第5章 汽轮机排汽通道内流动的数值分析

5．1 凝汽器喉部内湿蒸汽流动的数值研究

5．1．1 无小机排汽的喉部流场的数值模拟

5．1．2 带有小机排汽的喉部流场的数值模拟

5．2 汽轮机排汽缸内湿蒸汽流动的数值研究

5．2．1 排汽缸的数值计算模型

5．2．2 排汽缸流场的数值分析

5．3 耦合排汽通道内湿蒸汽流动的数值研究

5．3．1 排汽通道的数学模型

5．3．2 排汽通道数值模拟结果的分析

5．3．3 验证

5．4 本章小结

第6章 汽轮机通流部分热经济性诊断应达值的确定

6．1 汽轮机级的变工况详细计算方法及其改进

6．1．1 汽轮机变工况详细倒推计算方法简介

6．1．2 超临界级详细计算方法存在的问题

6．1．3 汽轮机超临界级的变工况热力计算方法的改进

6．2 汽轮机各效率间的耦合性分析

6．2．1 汽轮机各效率间存在耦合性

6．2．2 汽轮机各效率定义方法的讨论

6．2．3 相对内效率与理想循环热效率间的耦合性分析

6．3 汽轮机通流部分的热经济性诊断

6．3．1 端差变化对效率的影响

6．3．2 轴封漏汽量变化对效率的影响

6．3．3 汽轮机各级组相对内效率基准值的确定

6．3．4 通流部分和回热系统热经济性降低故障的分离方法

6．4 本章小结

第7章 结论与展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

攻读博士学位期间参加的科研工作

致谢

作者简介