汽轮机排汽缸性能分析和气动设计的研究进展-.pdf

第 4 2卷第 1期 2 0 1 3年 3月 热 力 透 平 THERMALTURBl NE o 1 ． 4 2 N o ．1 M a r ． 2 0l 3 汽轮机 排 汽缸 性能 分析和 气动 设计 的研 究进展 李 军 ， 李志刚 ， 晏 鑫 ， 宋立 明。 ， 丰镇平 ， 江生科 ， 范小平 ， 李熙斌 ， 王建录 1 ． 西安交通大学 叶轮机械研究所， 西安 7 1 0 0 4 9 ； 2 ． 东方汽轮机有限公司， 德阳6 1 8 0 0 0 摘要 大功率汽轮机低压排汽缸的气动性能分析和设计对于提高机组的经济性具有非常重要的作用。低压 末级与排汽缸间的相互作用以及排汽缸内的复杂结构导致排汽缸具有典型的非定常和非周期性的流动特性。 介绍了排汽缸的基本结构特点， 综述了国内外在排汽缸气动设计和性能分析方面的研究进展， 给出了西安交 通大学T u r b o A e r o研究团队在大功率汽轮机低压排汽缸全三维性能分析和气动设计方面的研 究结果， 最后讨 论 了大功 率汽轮机排 汽缸方面的研究展望 。排汽缸 气动 性能 的影响 因素 可概括 为 末级 动 叶 出口旋 流、 顶部 间隙射流、 动叶尾迹和排汽缸几何结构。排汽缸的气动性能研究需要耦合低压缸通流结构开展， 充分考虑通 流结构和排汽缸 间的相 互作 用。 关键词 汽轮 机 ； 排汽缸 ； 低压末级 ； 气动设 计 ； 性 能分析 中图分类号 T K 2 6 1 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 2 - 5 5 4 9 2 0 1 3 0 1 -0 0 0 1 - 0 8 Re v i e w o f Pe r f o r ma n c e Ana l y s i s a n d Ae r o d y na m i c De s i g n o f Ex ha us t Ho o d f o r S t e a m Tur b i ne s L I J u n ，L I Zh i g a n g ，Y A N Xi n ，S O NG L i mi n g ，F E NG Zh e n - p i n g ， J I A NG S h e n g - k e ，F A N Xi a o - p i n g ，L I Xi b i n ，W ANG J i a n l u 1 ． I n s t i t u t e o f T u r b o ma c h i n e r y ， X i ’ a n J i a o t o n g U n i v e r s it y ，X i ’ a n 7 1 0 0 4 9 ，C h i n a； 2 ． D o n g f a n g S t e a m T u r b i n e C o ． ， L t d ． ， D e y a n g 6 1 8 0 0 0 ， Ch in a Abs t r a c t T h e a e r o d y n a mi c p e rf o r ma n c e a n aly s i s a n d e x h a u s t h o o d d e s i g n p l a y a n i mp o r t a n t r o l e i n i mp r o v i n g t h e e c o n o mi c s o f l a r g e p o w e r s t e a m t u r b i n e s ．T h e i n t e r a c t i o n b e t w e e n t h e l a s t s t a g e a n d d i f f u s e r o f t h e e x h a u s t h o o d ，a s w e l l a s t h e c o mp l e x e x h a u s t h o o d s t r u c t u r e wi t h i n t e n s i f y i n g p l a t e a n d b r a c i n g p i p e，wi l l r e s u l t i n t h e u n s t e a d y a n d n o n p e r i o d i c f l o w p a t t e r n i n t h e e x h a u s t h o o d ．T h e b a s i c s t ruc t u r e f e a t u r e s o f t h e e x h a u s t h o o d a r e fi r s t l y i n t r o d u c e d， a n d t h e s t a t e o f - t h e a rt a e r o d y n a mi c d e s i g n a n d p e r f o rm a n c e a n a l y s i s o f t h e e x h a u s t h o o d u s i n g e x p e r i me n t a l me a s u r e me n t s a n d n u me ric al s i mu l a t i o n s a r e r e v i e we d ．T h r e e - d i me n s i o n a l a e r o d y n a mi c p e r f o r ma n c e a n a l y s i s o f t h e l a s t s t a g e a n d e x h a u s t h o o d i n c o n s i d e r a t i o n o f t h e l a s t r o t o r t i p l e a k a g e i s i l l u s t r a t e d i n t h e T u r b o Ae r o G r o u p o f Xi ’ a n J i a o t o n g U n i v e r s i t y ．I n t h e e n d， t h e r e s e a r c h a n d d e v e l o p me n t o f t h e e x h a u s t h o o d f o r l a r g e p o w e r s t e a m t u r b i n e i n t h e a e r o d y n a mi c p e r f o rm a n c e a n a l y s i s a n d o p t i mi z a t i o n d e s i g n a r e s u mma r i z e d ． T h e i n fl u e n c e f a c t o rs o f a e r o d y n a mi c p e r f o rm a n c e f o r e x h a u s t h o o d a r e s u mm a ri z e d a s f o l l o w s s w i r l fl o w f r o m t h e l a s t s t a g e r o t o r e x i t ，t i p c l e a r a n c e j e t flo w，r o t o r wa k e a nd g e o me t r i c p a r a me t e r s o f e x h a us t h o o d．The s e i n t e r a c t i o ns o f l o w p r e s s u r e c y l i nd e r a nd e x h a u s t h o o d a r e i n d i s p e n s a b l e for i n v e s t i g a t i n g t h e a e r o d y n a mi c p e rfo rm a n c e o f t h e e x h a u s t h o o d ． Ke y wo r d s s t e a m t u r b i n e ；e x h a u s t h o o d；l a s t s t a g e；a e r o d y n a mi c d e s i g n；p e rfo rm a n c e a n a l y s i s 超 临界 、 超超临界火 电汽轮机和百万等级的 核电汽轮机是我国 目前主要的发电机组 ， 也是 目 前主要的能源消耗者⋯ 。提高大功率汽轮机的运 行效率 ， 不仅可以更充分地利用有限的能源 ， 提高 经济效益 ， 而且还可以减少有害物质的排放 ， 保护 人类赖 以生存 的环境。因此 ， 积极地致力于提高 收稿 日期 2 0 1 2 ． 1 0 - 2 2 修订 日期 2 0 1 2 1 2 - 2 7 基金项目 中央高校基本科研业务费专项基金资助 5 0 9 7 6 0 8 3 作者简介 李军 1 9 7 1 一 ， 男， 博士， 教授， 从事于叶轮机械气动热力学、 叶轮机械密封技术、 燃气轮机及分布式供能系统等研究。本论文获 得 2 0 1 2年度 中国动力工程学会透平专委会学术研讨会优秀论文奖。 一I I - l ■ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1期 汽轮机排汽缸性能分析和气动设计的研究进展 大功率汽轮机气动效率的研究具有极其深远的战 略意义。 汽轮机的损失主要有两部分 ， 一部分是通 流 损失， 另一部分是由于泄漏等引起的外部损失 J 。 不考虑外部 损失时 的汽轮 机效率被称为轮周 效 率。轮周损失包括静 叶损失 、 动 叶损失和余速损 失。进入汽轮机的蒸汽在各级作功后 ， 从末级动 叶出来经排汽管排出。排出的汽流在排汽管中流 动时， 由于摩擦、 涡流、 转 向等阻力作用而产生压 力下降， 这部分压降损失被称为汽轮机的排汽阻 力损失 ， 该损失是无法避免 的。由于汽轮机末级 容积流量较大， 余速也较大， 这样排出的汽流具有 较大的动能。为 了提高机组 的经济性 ， 要求排汽 缸具有 良好的气动性能 ， 尽可能将排汽动能转变 成静压 ， 以补偿排汽缸 中的排汽 阻力损 失 压力 损失 ， 增 加末 级 的出力 。根 据 东芝 公 司对 某 7 0 0 MW汽轮机 内损失的分析结果 ， 排汽损失约 占 整个汽轮机内损失 的 1 5 ％。通常 ， 排汽能量约相 当于总的可用等熵能量的 1 ％ 一 2 ％， 计算表明， 对于汽轮机来说， 排汽缸损失系数 每降低 0 ． 1 ， 就可使汽轮机效率提高约0 ． 1 ％ ～ 0 ． 1 5 ％E 3 1 。冷 凝式汽轮机的低压排汽系统连接低压缸末级透平 和凝汽器， 其主要气动作用是把低压缸末级透平 出口的余速动能转化为压力能， 在凝汽器真空度 给定的条件下， 降低末级透平出口截面处的静压， 增加末级透平的出力， 提高汽轮机机组的热效率。 大功率汽轮机低压缸末级透平出口平均绝对马赫 数为0 ． 5 0 ． 8 ， 其余速动能约 占机组总焓降的 1 ． 5 ％， 如果能有效地回收利用这部分余速动能， 可以使机组的热效率提高 1 ％左右。因此， 排汽 缸的气动设计和性能分析是提高汽轮机经济性极 具潜力的途径 J 。 ■■I II I 为设计高性能排汽缸， 本文通过对 目前大功 率汽轮机排汽缸进行性能分析， 旨在为进一步提 高汽轮机效率提供理论基础和技术支撑。 1 排汽缸设计原则 典型的低压排汽缸具有侧向排汽和向下排汽 两种结构。大功率汽轮机一般采用向下排汽的结 构设计。图 1给出了典型的大功率汽轮机低压缸 三维结构 图 和排 汽缸 内的流动 图谱 引。为 了 满足刚度需要在排汽缸内设计 、 安装有筋板 和撑 管。如图 1 所示 ， 静压回复主要在排 汽缸 的扩压 器导流环 中完成 ， 还有一部分在排汽缸的蜗壳 中 完成。蒸汽在这种结 构的排汽缸 的流动是先轴 向， 然后再径向向下流向凝汽器 。 排汽缸的气动性能采用总压损失系数和静压 恢复系数来衡量 ， 定义如下。 总损失系数 P l 一 P 2 ／ l 1 1 1 静压恢复系数 P 2 一 P 1 ／ l l 2 式中 P 为进 口总压； P l 为进 口静压； P 2为 出 口 静压 ； p 为进 口汽流密度 ； 。 为进 口汽流速度。 大功率汽轮机低压排汽缸设计在保证排汽缸 具有足够刚度 的前提下， 应使排汽缸具 有尽可能 高的静压 恢复 能力或 者尽 可能低 的总压 损 失 I 9 。图2为排汽缸气动设计时的关键几何结 构参数图。陈洪溪和薛沐睿 对大型空冷汽轮机 低压排汽缸几何结构尺寸以及对其气动性能的影 凝汽器 混合面 C 图 1 汽轮机低压缸三维结构图 和排汽缸中流动图谱 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 汽轮机排汽缸性能分析和 气动设 计的研 究进 展 热 力透平 响开展了研究工作， 指出了排汽缸的轴向尺寸、 环 形扩压器形状尺寸 、 蜗壳横 向宽度及蜗壳上半缸 形状尺寸的优化原则。本节重点介绍排汽缸的气 动设计 ， 在参考文献 [ 7 ] 的基础上 ， 综述排汽缸几 何参数设计的一般原则 。 图2 排汽缸关键几何参数示意图 1 ． 1 扩压器气动设计 扩压器是排汽缸 的主要组成部分 ， 对排汽缸 的静压恢复能力起着至关重要的作用 。扩压器壁 面通常是一段 由直线或曲线绕轴 向旋转而成的回 转面 ， 扩压器的通流 面积沿流动方 向是逐渐增 大 的。扩压器内流动损失的增加主要是 由扩压器 内 的逆向压力梯度造成的流动分离引起的。为了避 免扩压器 内流动分离 的产生 ， 在扩压器 的设计 中 采取了以下技术措施 1 通过增加 扩压段进 口 汽流紊流度或者在扩压段流场分离区之前安装局 部柱形扰流结构 ， 改变局部位置处流场 的时均速 度和紊流度， 以达到延迟分离的目的； 2 在扩压 器端壁开槽 ， 安装附面层抽吸或吹扫装置 以控制 内流附面层 。此外 ， 还可通过在扩压器 内部安装 导流环来抑制流动分离。王平子⋯综合国内外有 关汽轮机低压排汽缸 的理论和实验方面的研究结 果 ， 给出了汽轮机中扩压器的基本设计原则 ， 即扩 散时少转弯、 转弯时少扩散。 扩压器的关键几何结构参数包括扩压器 内外 导流环的长度 ， 和 L 、 扩压器的外径 、 扩压器 内外导流环 的半径 r 。 和 r 、 扩压器 的 出 口宽度 b、 扩压器内外导流环的起始扩张角 和 。 扩压器子午流道 的形状主要有直线 型、 折线 型和曲线型。由于大功率汽轮机低压排汽缸 的轴 向尺寸受到限制 ， 需要增加或者利用扩压器的径 向扩压段来提高排汽缸的气动性能。在结构允许 的条件下 ， 扩压器外径 的适当增加对提高排汽 缸的静压恢复系数有利。 在扩压器进 口尺寸和长度确定 时， 扩压器的 出口宽度 b 存在最佳值。出口宽度太大会导致扩 压器在扩压流动过程中形成分离流动。扩压器进 口宽度与扩压器长度在 1 ． 0 6 ． 0范围时， 扩压器 出口宽度与进 口宽度的 比值一般在 0 ． 5～1 ． 5范 围内确定 。 扩压器的子午流道包括轴 向扩压段 、 转弯段 和径 向扩压段。在扩压器的长度 、 出 口宽度和外 径确定之后 ， 扩压器 内外 导流环 的起始扩张角若 选择小的话会导致扩压器的面积扩散 L ／ J , 从而降 低其 扩 压 能 力 ， 过 大 则 会 导 致 流 动 沿 外 环 分 亩[ 8 9 ] 向 O 1 ． 2 蜗壳气动设计 在凝汽式汽轮机中， 蒸汽 由扩压器流 出后进 入排汽蜗壳 ， 排汽缸蜗壳 的作用是将从扩压器环 状出 口的蒸汽引 导进人排汽缸 下半部分 的排汽 口， 同时使蒸汽流在蜗壳 流动过程 中继续将部分 动能转化为压力能。排汽缸蜗壳的主要几何尺寸 是排汽缸 的上半部分 高度 、 水 平 中分 面宽度 以及扩压器出口截面与蜗壳上半汽缸壁的间 隙 h。蜗壳尺寸过小会导致蒸汽流在流动过程 中 加速 ， 从而降低排汽缸的静压恢复能力 ； 蜗壳尺寸 过大则会造成排 汽缸 刚性差 、 重量大和加工运输 困难 。蒸汽流在蜗壳中流动时， 流量从 上到下逐 渐增加的特性要求蜗壳后壁面上半部具有一定的 斜度 。 水平 中分面宽度 日 对排 汽缸 的气 动性 能具 有关键作用。在大量实验研究 的基础上 ， 最佳 蜗 壳水平中分面宽度应满足经验公式 I 9 J B ／ 0 ． 7 5 0 ． 9 3 扩压器几何尺寸确定之后 ， 蜗壳 上半部分 高 度主要取决 于扩压器出口截面与蜗壳上半部分壁 面的间隙。一般 间隙 h与扩压器出口宽度 b的数 值相当于或小 于扩压器 出口宽度。因此 ， 可以确 定蜗壳上半部分高度 J Hh ／ 2h 2 排汽缸气动性能分析研究进展 4 汽轮机 中的低压排汽系统连接着末级透平和 凝汽器， 主要由扩压器、 排汽蜗壳和起支撑作用的 -一 - - _ l 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1期 汽轮机排汽缸性能分析和气动设计的研究进展 筋板与撑管组成， 扩压器和排汽蜗壳一般具有轴 向进汽单侧径 向排汽形式 。在实际运行情况下， 透平末级出口流场的旋流和不均匀总压分布会影 响排汽系统 内的流场及其气动性能。同时 ， 非轴 对称排汽系统也会在透平末级出口位置处产生不 均匀的压力场 ， 影响透平 叶栅 内部流场和气动性 能 。因此， 高性能的排汽系统设计应该考虑透平 和排汽系统流场之间的相互作用 J 。 排汽缸的流场结构和气动性能的研究方法主 要包括全尺寸实验 、 模型试验、 数值模拟和理论分 析相互结合的方式。全尺寸实验是在真实的汽轮 机和排汽系统上开展性能试验 ； 模型试验是将排 汽系统按比例制成模型， 根据相似理论将模型上 的测量数据转化为实际机组的相关数据； 模型试 验是研究机理和规律的有效方法 。而新近发展 的 三维数值模拟技术在排汽缸流场结构、 气动性能 分析以及优化设计方面发 挥了巨大作用 。汽 轮机排汽缸 内汽流流动的主要形式通常被归结为 旋涡运动 ， 被认为是排汽系统气动损失的主要来 源。徐旭等 将排汽蜗壳内的旋涡定义为通 道涡 、 二次涡、 分离涡和 出口涡， 认 为排汽蜗壳 内 的通道涡是产生总压损失的主要 因素。 G r a y等 在全尺寸实验研究 中发现 ， 在排汽 系统前安装不同的透平会改变排汽系统性能和流 场的周 向分布。L a g u n等 进行 了一系列流量下 的全尺寸实验 ， 试验结果表明 随着流量 由最大值 逐渐减小， 扩压器入 口气流角增大、 顶部静压增 大、 根部静压减小， 透平根部出现流动分离。 刘莲和于丽 以相似理论为依据 ， 对排汽缸 进行了模 型试验 。沈 国平等 对 空冷 3 0 0 M W 低压排汽缸进行 了吹风试验研究 ， 分析 了影 响排 汽缸气动性能的关键几何参数。研究结果表明 在排汽缸轴 向尺寸一定 的条件下 ， 可 以通过增加 扩压器直径 、 优化扩压器 内壁 型线等方法使低压 排汽缸的损失减小。 T in d e l l 等 。 。 采用计算流体动力学方法对汽 轮机低压排汽缸的流场结构和气动性能进行了详 细地分析。付经伦和刘建军等 对汽轮机排 汽缸的模型结构进行了实验和数值研究， 对汽轮 机排汽缸与末级定常和非定常相互作用机理进行 了深入的研究。阳虹等 采用数值模拟的方法 研究了汽轮机排汽缸流场结构和气动性能。研究 结果表明 蒸汽进入排汽缸内， 由于大折转角流 ■■I I1 | 动， 使得流体在导流环内壁上产生分离。同时， 蒸 汽进人排汽缸腔体内， 形成通道涡， 并且由于各种 管道的存在 ， 在壁角处产生涡， 这些耗散涡的存在 带来了流动损失。 在排汽缸几何不变 的条件下 ， Mi r o s l a v等 5 _ 指出 ， 排汽缸进 口气流角对排汽缸 内部流动影 响 很大 ， 主要表现为 在不 同进 口气流角下 ， 排汽缸 扩压器的内外导流环表面的流动分离不 同。对于 一 定的排汽缸结构 ， 存在一个最佳的进 口气流角 ， 使排汽缸损失最小 ， 并具有最大的静压恢复系数。 T a n u ma等 通过实验测量了汽轮机低压缸 末级叶片的出汽条件 ， 并将其设 置为数值模拟的 进 口条件， 对扩压器流动进行 了数值 分析 。结果 表明 当对低压排汽缸扩压器进行数值研究时 ， 扩 压器进口边界条件如压力、 气流速度及流动角度 分布都是极其重要的参数。 付经伦和刘建军 对来流条件对排汽缸内 非轴对称流动的影响进行了研究 ， 指 出扩压器人 口环面接近根部位置处 ， 来流旋 流角是引起漩 涡 增大 、 导致排汽缸扩压能力降低 和流动阻力增 大 的主要原因； 接近顶部位置处的来流旋流角则有 助于降低非轴对称流场的周向不均匀程度及蜗壳 内的静压降。 F i n z e l 等 试验研究了排汽缸顶部泄漏流马 赫数 、 通流面积等参数对扩压器静压恢复能力的 影响 ， 试验在扩压器进 口设置了模拟末级叶片的 装置， 以便更加真实地模拟低压排汽缸的进汽条 件 。如图 3所示 ， 动叶顶部漏流马赫数对排汽缸 的性能有显著影响， 静压恢复系数 随马赫数的增 加先减小后增大。水平分界面面积 A 及排汽缸 顶部通流面积 竖直分界面面积 A 与扩压器 进 V I 面积 A 砚的比值对扩压器的静压恢复能力有 显著影响， 这是 2 个极其重要的几何参数 A 和 的位置可参考图 1 ， 当A 降低时， 低压 排汽缸 的静压恢 复降低 ， 静压恢 复的降低与水平 结合面通流面积的减少有密切的关系。 A 。 存在最佳值， 且最佳值与动叶顶部漏流马赫数密 切相关， 即低压排汽缸的最佳高度与末级流动情 况密切相关 。 O p i l a t 通过实验研究 了进 口马赫数和气流 角 、 顶部泄漏流对排汽缸气动性能 的影 响。图 4 给出了进 口马赫数和气流角 、 顶部间隙泄漏流对 排汽缸静压恢复系数影响的曲线。相 比于进 口无 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 汽轮机排汽缸性能分析和气动设计的研究进展 热力透平 T 一 点 籁 垛 箍 蕊 一 - 扩压器 ● l 士 广 - 『 R I I I ● I - 0 0．2 0 ． 4 0 ． 6 0 ． 8 1 1 ．2 1 ． 4 顶部泄漏流马赫数 MT i p【 一 】 a 泄漏流 马赫数 影响 J ． A c o rr M T ip f ● _ 1 ． BB M T ip 0。． - I f 一 ■ 一 一 i l 4 1 , ， ◆ ◆ ◆ ◆ l } 相对水平分界 面面积AJ [ 一 ] b 水平分界面通流面积影响 0 ．4 I ● 篙 ● ◆ ● ◆ 相埘竖直 分界 面面积 A ／ A 卜】 c 竖直分界面通流面积影响 图 3 叶顶间隙泄漏流马赫数和通流面积对排汽缸 静压恢 复系数的影响 曲线 0 ． 8 O ． 7 5 下0 ． 7 0 ． 6 5 0．6 蓄 o ．5 5 艋0 ． 5 0 ． 4 5 0 ． 4 ， ＼ 、 、 一 ‘ ] ＼ ／ ’、 ／ 一 ， o 。 Hf ．r d a0 ． 墉 I。 1 } 0 p 且 t ． M a 0 ． 0 O 且 f ．Ma0． 2 0 ” a t ． Ma 0 4 _ ． - C h mi k o v ． M H 01 4 1一C h e mi k o v ， Ma 0 ． 2 1 _一 Ch e mi k o v ． Ma 0 ． 25 T 燕 毯 艋 O p i p i l a t ， , M a 叭0 ． 12 霉 廛 臻 嚣 灌 涮 一-I I Cf i e r ni k o v Ma 0 ． 1 4 I 一 --0 - ． i hh 。e m ik o v ．M a,M a 0 _20 ．2 ； l _ I E ＼ ／ ／ 『 ／ ’ 、 ／ ， l ’ 、 ，， J ／ ， ， { 、 ， 进 口气流角 。 图 4 进口马赫数和气流角、 顶部泄漏流角对排汽缸 静压恢复系数的影响[ 2 8 3 旋流的工况 ， 正的旋流角 5 。 一1 0 。 可以提供静压 恢复系数 ， 而负的旋流角则 可以减小静压恢复系 数 ； 静压恢复系数随进 口马赫数 的增大而增大 ； 顶 部间隙射流的存在使静压恢复系数提高。 B u r t o n等 提出依据排汽缸扩压的进 口总压 和气流角分布基本 规律来预测 排汽缸 的气动性 能， 并采用三维数值方法来验证所提出方法的有 效性。T a n u m a 等 提出了一种预测汽轮机排汽 缸气动性能的数学模型 ， 该模 型采用全三维两相 流动数值方法 ， 并考虑了叶顶 间隙泄漏和末级动 叶尾迹效应的影响。 西安交通大学能源与动力工程学院叶轮机械 研究所的李军等 率先在国内开展大功率汽轮 机全尺寸排汽缸气动性能分析研究 ， 先后 开展 了 考虑到末级动叶顶部间隙效应和末级动叶扭转变 形效应 的排汽缸静压恢复能力研究 ， 同时对末级 整圈与整个排汽缸耦合进行了计算分析， 对排汽 缸 内的筋板和撑管等结构均进行 了考虑。图 5为 模型机组低压末级与排汽缸的三维结构图和考虑 动叶顶部间隙的末级整圈计算网格图。图6给出 了考虑动叶顶部间隙的末级整圈和排汽缸的三维 流线 图， 可以看出， 末级动叶顶部间隙射流以很高 的速度进入排汽缸扩压器 内， 然后经外导流环近 壁面区域流出扩压器 ， 因此将对外导流环 附近 区 域的流场产生显著影响。研究表明 末级动叶顶 部间隙射击流可以有效地抑制排汽缸扩压器内的 分离流动， 进而提高排汽缸的静压恢复能力。 3 排汽缸气动设计研究进展 一 2 5 2 0 1 5 1 0 5 0 5 1 0 1 5 进口 气 流 角 。 为了进一步提高排汽缸的气动性能， 国内外 I l l l ■巨 l 9 8 7 6 5 4 3 2 l 0 ● 0 0 O O O O 0 O 0 一 上 黎 枯J lx ●9 8 7 6 5 4 3 2 l 0 1 O O O O O 0 0 0 0 0 一 _ 】 箍莨 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 汽轮机排汽缸性能分析和气动设计的研究进展 热力透平 a 扩压器外导流环型线 I艋 O 一 I a 原始轴对称结构 b 优化后轴对称结构 c 原始结构周向部分切除 d 优化后周向部分切除 e 优化后周向完全切除 b 优化前后排汽缸性能比较 C 周向回切后的导流环结构 图8 排汽缸扩压器型线优化设计 善了扩压器内的三维流动特性 ， 并且使排汽缸和 扩压器的气动性能最大化。 Mu s c h等 开发 了一种高 效且数 值简单 的 末级叶片和扩压器耦合设计方法。该设计方法应 用边界层理论和流线曲率法对扩压器内的流动分 离进行预测， 并考虑了末级叶片顶部泄漏射流及 出汽旋流对扩压器性能的影响。他们采用三维 C F D软件对通过该设计方法获得的扩压器优化结 构进行 了验证 。结果表明优化设计的扩压器型线 可 以有效地提高排汽缸的气动性能 ， 降低流动损 失 。 日本日立公司的 M i z u m i 等 针对大功率汽 轮机低压排汽 缸 内存在大 量旋涡 流动结构 的现 象 ， 提出了一种降低旋涡强度 的新型结构。这种 结构采用安装在分离 区域 的管道来消除或抑制分 离流动 。他们采用模型实验验证了新设计 的结构 在相同的雷诺数和马赫数下， 其排汽缸的静压恢 复系数提高了 1 2 ％。V e r s t r a e t e 等 采用计算流 体动力学、 排汽缸扩压器型线参数化和遗传算法 开展了排汽缸的优化设计 ， 并采用数值模拟方法 对优化后 的排汽缸在设计工况和变工况下的气动 性能进行了分析。研究结果表 明排汽缸的扩压器 是影响排汽缸静压恢复能力的重要部件 。 4 讨论 超临界 、 超超临界火 电汽轮机和百万等级核 电汽轮机的低压排汽缸的气动设计在保证整机结 构设计的基础上应该具有最佳的静压恢复能力和 最小的流动损失， 进而保证机组的运行效率。低 压排汽缸的气动设计水平随着实验测试和数值模 拟技术的发展而得到迅速发展。综合目前国内外 在汽轮机排汽缸气动性能的实验测量和数值模拟 以及理论分析等研究工作， 得出影响排汽缸气动 性能的主要因素有 末级动叶出口 旋流、 顶部间隙 射流、 动叶尾迹和排汽缸几何结构 主要为扩压 器导流环结构 。本文综述了国内外在排汽缸气 动性能分析和优化设计方面的研究工作， 阐明了 低压末级与排汽缸耦合作用对排汽缸的气动性能 的作用机理。根据 国内外在排汽缸研究方面的进 展和结果， 需要充分考虑通流结构和排汽缸间的 相互作用 ， 深刻理解 和掌握排汽缸 的损失机理和 影响因素 ， 为高性 能排汽缸设计提供理论基础和 技术支持。 5 致谢 本项目部分研究工作得到中央高校基本科研 业务费专项基金资助 5 0 9 7 6 0 8 3 。 参考文献 [ 1 ]王平子． 现代大功率汽轮机排汽缸的气动性能[ J ] ． 东方电气 评论 ， 1 9 9 3， 7 1 1 _ 6 ． [ 2 ]L E Y Z E R O V I C H， A S ．S t e a m T u r b i n e s f o r M o d e m F o s s i l - 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