【《小流量工况下汽轮机内流动特性分析案例》4700字】

小流量工况下汽轮机内流动特性分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u1117小流量工况下汽轮机内流动特性分析案例 [38]数据的一致，选定竖直方向叶高为190mm。前缘半径取10.55mm，尾缘半径取1.15mm。使用ANSYSMESH软件对模型进行网格划分，使用非结构网格，设置体网格尺寸为5mm。由于在汽轮机叶栅边界层内的流动情况复杂，对边界层进行网格加密以得到精确的流动特性，设置近壁面处网格尺寸为0.8mm。同时，由于尾缘半径较小，需要更加细密的网格对其流动进行研究，因此对尾缘曲面进行加密。最终网格节点数量为219446，网格数量为813733，网格划分如图1.2所示。图图1.2简单直叶片网格划分图1.1简单直叶片模型1.1.2边界条件的确立将该模型流域工质设置为气液均向混合工质，性质按IAPWS-IF97水和水蒸气性质公式，设置流道进出口均为压力条件，进口处压力为89000Pa，假定进口面工质全为蒸汽，气体质量分数为1,，出口压力设置为39000Pa。上下壁面为无滑移，同时对流域设置周期性边界条件，因为选择简单直叶片叶型研究，故在设置周期面时，将其设置为平行周期面。1.1.3简单直叶片结果分析通过CFX-Solver进行数值求解，能够得到简单直叶片流域内工质流体的流动特性，为了使结果更精确，将迭代残差目标设置为10-5，只有迭代收敛残差达到10-5时计算才结束。简单直叶片流域为UG软件平面拉伸形成，叶片平直无扭曲。流体域的不同叶高所在平面面积、形状完全相同，故在各个叶高平面上的流动特性也相同。故本文在观察流域的各项参数变化时，不需要选择不同叶高截面，只需选择了某一叶高截面进行观察，通过了解该截面的状况，可以知道整个流体域的参数性质。图1.3和图1.4为本文通过CFX后处理得到的压力云图、气体质量分数分布云图、流线图。由图可知，在这一工况下蒸汽压力随着流动逐渐降低，蒸汽释放能量做功会使得工质内能转化为动能；蒸汽的连续做功逐渐将过热蒸汽工质转变为湿蒸汽工质，蒸汽出现冷凝，并且工质的气体质量分数沿流向降低。根据流线图，在此工况下，蒸汽贴合叶片表面流动，未发生流动分离。图1.3压力分布云图图图1.3压力分布云图图1.4气体质量分数分布云图图1.5某叶高平面流线图为了将模拟计算出的压力与实验测得的汽轮机叶片表面压力进行比较，并进行更准确的分析，提取叶片高度截面为50％的叶片表面相交处的压力，并与实验数据比较，数据对比如图1.6所示。图图1.650%叶高平面模拟数据和实验数据对比图从图1.6可以看出，模拟计算得出的曲线和实验测量的结果总体上较为吻合，曲线与点构成的图形比较相似，只是在尾缘附近的部分区域有一些偏差，但总体数据是吻合的。这说明ANSYSCFX模拟实际的流动状况是比较精确的，软件模拟计算得到的结果具有一定可靠性和精确性，对于研究流域流动特性有很大参考价值。1.2某核电汽轮机组高压末级叶片的模型建立和网格划分本章以某核电汽轮机组高压末级的一个动叶和静叶为研究对象，建立一个简单模型，进行稳态模拟研究，如图1.7为该模型视图模型计算使用ANSYSCFX软件，模型中流体流动为三维粘性可压缩低雷诺数流动，采用N-S方程对该核电高压末级流场进行离散求解计算。基于ANSYSworkbench软件的mesh模组对模型进行网格划分。虽然该叶片作为扭叶片形状较直叶片复杂，网格如果较少就无法得出精确的结果，但如果网格数量过多，又会增加计算的难度和时间，必须综合考虑数值计算的难度和精度，合理安排计算的时间，对网格的尺寸和数量进行合理的划分。本章在进行网格的划分时，将模型中动叶片和静叶片部分体积网格节点距离都设置为5mm。为了计算叶片的力矩结果的精确性，得到动叶表面附近的工质流动特性的正确分析，还需要加密两种叶片表面网格。故将静叶片面网格节点距离设置为3mm，动叶片面网格节点距离设置为2mm，并对边界层区域网格进行加密处理。整个高压末级模型的网格节点数约为165万，图1.8核电机组高压末级网格图图1.8核电机组高压末级网格图图1.7某核电机组高压末级模型示意图1.3边界条件为了简化计算模型，本章仅研究某核电汽轮机高压末级的单个静叶和动叶流道的流动情况。核电汽轮机转子转速为1500rev/min,叶片呈圆周分布，故设置旋转周期面为流体域周期面边界条件。为了确定100%相对质量流量工况下的边界条件，先将该核电高压末级模型以末级进口压力条件为边界条件进行一个合理计算，将计算的通过提取出来，以结果中的质量流量作为100%相对质量流量工况的进口流量条件，以此条件可以进行后续不同相对质量流量工况的计算。因为在汽轮机组的运行中，经常遇到小流量工况下运行的情况，所以小流量工况的计算是尤为重要的，为了研究小流量工况下汽轮机叶栅的流动特性，选取45%、40%相对质量流量工况进行计算。在计算过程中，为了计算方便，在ANSYSCFX软件调整工况时，只改变进口质量流量，其他参数如背压、进口蒸汽总温等都不变，具体不同工况的边界条件如表1.1所示：表1.1各个工况下的边界条件相对质量流量分数进口流量（kg/s）进口总温（K）出口背压（MPa）100%42.92467.7531.08845%19.314467.7531.08840%17.168467.7531.0881.4某型核电汽轮机高压末级小流量工况下的流动特性在我国深入调整能源结构的背景下，汽轮机承担着越发繁重的调峰任务。汽轮机频繁参与调峰任务会经常在小流量工况下运行，而小流量工况下汽轮机末级易出现脱流涡导致失速而造成汽轮机做功能力的下降，汽轮机效率也降低，叶片会出现流动分离问题，当流量减至临界值时，汽轮机内部会达到鼓风工况，出现旋转不稳定现象，波动明显，会引起流动效率的降低和叶片低频振动，对机组的安全性造成威胁。为了改善汽轮机小流量工况下性能，研究小流量工况下叶栅内的流动特性，本节对核电汽轮机高压末级原始叶型100%、45%、40%相对质量流量工况进行计算，通过对比研究，对汽轮机组小流量工况下流动特性进行分析。经过计算，高压末级动叶片不同工况下输出力矩计算结果如表1.2所示表1.2不同工况动叶片输出力矩表相对质量流量分数末级动叶片输出力矩（N·m）100%12409.145%82.571640%-337.718由表可知，随着叶片进口流量的降低，末级动叶片的输出力矩也大幅降低，在40%相对质量流量工况下，末级动叶片输出力矩已经达到负值，也就意味着，在40%相对质量流量工况下，汽轮机处于鼓风状态，会造成鼓风损失。汽轮机的经济性大大降低，其安全性也受到威胁。为了更清楚的探究不同进口流量对末级动叶片输出力矩的影响，需要研究不同工况下叶片内工质的整体流动情况，下面对模型三维流线进行可视化处理，如图1.9所示（a）1（a）100%相对质量流量（b）45%相对质量流量（c）40%相对质量流量图1.9不同工况下高压末级三维流线图通过三种不同质量流量工况下的高压末级三维流线图的对比可以看出，在设计工况下，工质在级内流动平顺，流速随着末级动叶叶高的增加而增大。随着末级进口相对质量流量的降低，流体的流速也不断下降，并在流到末级动叶片后直到出口面的部分区域形成了涡。由三个图的对比还可以看出，随着流量的降低，涡结构也随之增大，并逐渐影响更高叶高处的流动。因为本文采用稳态求解，而涡结构中的流体流动情况复杂，图中无法显示相关部分的流动状态，必须要用瞬态求解器计算才能显示出涡结构的流动。利用CFX-post对末级动叶片流场近一步处理，可以得到末级动叶片压力面分布和表面极限流线图如图1.10、图1.11所示。因为在汽轮机小流量工况运行中，进口质量流量减少，气体的流速发生变化，造成静叶出口速度三角形发生变化，由此动叶栅的进气角会出现较大变化，出现驻点前移至吸力面前缘的情况，造成叶片前缘压力面边界层区域产生较大负压梯度，形成流动分离的现象。（a）（a）100%相对质量流量（b）45%相对质量流量（c）40%相对质量流量图1.10动叶片压力面压力分布云图（a）（a）100%相对质量流量（b）45%相对质量流量（c）40%相对质量流量图1.11动叶片压力面极限流线图在100%相对质量流量工况下，从压力面压力分布云图可以看出，不同压力区域的分布比较规律，分界线为光滑曲线，叶片的上部的压力较高，且随着流动的方向和叶高的降低而减小。在流线图上，叶片的表面大部分区域流线十分平滑，分布规律，可以认为流体流动非常贴合叶型，没有出现流动分离的现象。当工况为45%相对质量流量时，由压力云图可以看出，与100%相对质量流量工况相比，此时叶片压力面的压力整体大幅降低，不同压力区域间的分界线变得不规则，在叶片中部出现比四周压力都要高的高压环状区域，这会造成和设计工况不同的负压梯度。从压力面表面极限流线图可以看出，叶片表面出现了明显的流动分离区域，主要是在前缘附近及叶片上部的区域，并且越靠近上部的区域，流动分离区域的面积就越大，发生了流动分离的区域，对应位置的压力也降低，便使压力云图对应部分出现比流向靠近尾缘的区域压强还要小的情况，负压梯度的存在使得脱流涡形成。当相对质量流量降低至40%时，流动分离现象更加明显，和45%相对质量流量工况相比，压力分布云图上叶片中部的高压区域面积减小，相同部位的压力也有所降低。流动分离区域在叶片上部面积增大，前缘和中部流动分离部位附近的低压区域面积增大，脱流涡的规模也继续增大。这种现象的产生原因是：因为流动分离的存在使得叶片出现负压梯度，工质开始回流，形成的脱流涡会隔离叶片表面和主流流体，叶片表面脱流涡的附着使得主流流体无法紧贴叶片流动，只能在再附线后才能再依附叶片表面流动，才能再次对叶片施加载荷。所以在流动分离区域叶片表面的压力降低，并影响整个叶栅的压力，使得叶栅整体负荷降低。（a）100%相对质量流量（b）45%（a）100%相对质量流量（b）45%相对质量流量（c）40%相对质量流量图1.12动叶片80%叶高平面处流线图（a）1（a）100%相对质量流量（b）45%相对质量流量（c）40%相对质量流量图1.14动叶片20%叶高平面处流线图（a）100%相对质量流量（b）45%相对质量流量（c）40%相对质量流量图1.13动叶片50%叶高平面处流线图由三组图对比可以看出，随着进口相对质量流量的降低，末级静叶出口流动速度也降低，造成末级动叶栅进口速度下降，速度三角形发生改变，造成动叶栅的攻角发生变化。在80%叶高平面流线图中可以看出，进口流量的逐渐减小使得叶栅攻角减小。可以从图中看出，随着流量的减小，该叶高平面压力面中部出现了涡结构，但涡结构较小，发生流动分离的区域较小，流体流动虽然受到影响，但总体还比较平顺。而观察50%叶高平面可以看到，在设计工况下，该平面叶高平面表面流线非常平滑，能够紧贴着壁面流动，没有发生流动分离。而随着进口质量流量的下降至45%，叶栅攻角明显减小，压力面前缘附近出现较大涡结构，流线无法附着于动叶表面，流动分离现象明显，形成了脱流涡。而当流量减小至40%相对质量流量时，这种现象就更加明显，流动分离的面积更大，脱流涡范围进一步扩大，严重影响了主流流体与叶片表面的贴合接触。在20%叶高平面处，三种工况下平面流线的规律和50%叶高平面类似，但由图1.11可知，叶片内的涡结构是由叶根向叶顶方向进行延伸发展的，所以叶根处