小容积流量工况下汽轮机级内流场的数值分析.pdf

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1、化工机械2013年小容积流量工况下汽轮机级内流场的数值分析+张仲彬料田艳静曹丽华孙毅(东北电力大学能源与动力工程学院)摘要采用FLUENT软件对某300Mw汽轮机高压缸内小容积流量工况下的多级流动进行数值分析。结果表明：小容积流量工况下，负攻角也引起高压缸叶片流道内产生分离流动，并且上级流场对下级流场的影响很大。前一级的分离流动使下一级动静叶流道内的分离区域增多，分离涡的强度变大，甚至影响了叶片压力面中间部分的流场，导致流体在动叶前缘近壁区域的主流流向和速度有很大程度的改变。因此，进行小容积流量下多级流动

2、的模拟是非常必要的。关键词汽轮机小容积流量工况分离流动多级模拟中图分类号TK26文献标识码A文章编号0254-6094(2叭3)Ol枷94J04汽轮机小容积流量工况是指蒸汽流量与蒸汽比容的乘积小于额定值的工况，此时动叶根部开始出现脱流⋯。由于汽轮机常在非设计工况下运行，尤其是在小容积流量下运行时，级内很有可能出现分离流动。分离流动会导致汽流在级内形成很大的漩涡，这不仅容易引起叶片的失速颤振，降低运行的效率，甚至还会导致严重的事故心]。目前开展汽轮机小容积流量工况下的流动研究，主要集中在汽轮机的末几级，采用

3、的手段有试验研究和数值模拟。蔡小舒等"1利用研制的测量装置对300Mw直接空冷汽轮机低压末级湿蒸汽流动进行了测量研究；綦蕾等H’51对处于湿蒸汽区的末级流场进行了数值模拟分析，都取得了满意的结果。相对于费用较大的试验研究，数值模拟显现出了很大的优势。现有的研究成果对汽轮机末级叶片在小容积流量工况下的脱流现象已形成共识。但由于小流量工况下，上游流场对下游流场的影响很大，攻角的变化也会使高压缸内各级出现分离流动，造成流动的不均匀和漩涡，引起级效率的下降。因此，笔者采用标准南．∞湍流模型和SIMPLEC算法，对

4、某300Mw汽轮机高压缸进行多级流动的数值模拟，研究小容积流量工况下上级叶栅流动对下级叶栅流动的影响。1物理模型与计算条件笔者采用两级动静干涉的叶栅通道，模拟小容积流量工况下反动级内流场的变化情况，计算模型如图1所示。网格部分采用六面体网格，不同叶栅之间采用inte血ce来融合网格。并对叶型附近进行网格加密，网格总数约180万余。图1两级计算模型计算过程中，取转速为3000r／min。通过提高出口背压的数值达到减小流量的目的，定义计算模型出口压力与入口压力之比为压比。笔者计算了10种工况，其中压比为0．8

5、68、0．934、0．953时比较典型，因此笔者主要针对这3种情况进行分析。计算时采用标准

6、

7、}-∞湍流模型。控制容积界面处的物性参数应用二阶迎风差分格式获得，流体压力一速度耦合采用sIMPLEc算法，进口给+国家自然科学基金(51076025)和东北电力大学博士启动基金资助项目(BsJxM一200916)。++张仲彬，男，1973年4月生，副教授。吉林省吉林市，132012。第40卷第1期化工机械95定压力和温度；出口给定背压；进、出口参数沿栅距方向的分布满足周期性边界条件；动静交界面采用滑移面网格技术

8、。2结果分析2．1小容积流量工况对静叶附近流场的影响图2是静叶吸力面表面静压系数分布云图，由第一级静叶吸力面的静压系数分布图可知，叶片根部和顶部的低能流体影响范围随着工况的变化逐渐影响整个流道，分离涡的尺寸随压比的增大而增大。由第二级静叶吸力面的静压系数分布还可以看出，由于受第一级动静干涉的影响，当压比为0．868时，吸力面扰动较强烈的区域仅在叶顶与叶根附近；压比为0．934时，扰动向叶片的前缘附近扩散，分离区域也逐渐增多；当压比增大到0．953时，分离涡影响的范围最大、扰动最为强烈。这也说明，小容积流量

9、下会引起较大的分离涡。第一级第二级第一级第二级第一级第二级图2静叶吸力面表面静压系数分布云图图3是静叶距叶根50％叶高处的流线图，从静叶的流线分布可以看出，受流量以及第一级动图中可以看到，无论攻角如何变化，都可能导致高静干涉的影响，压比为O．934时在静叶的吸力面压缸级内流道出现分离流动。对第一级静叶对比附近产生了尺寸较大的涡区，而当压比为O．953发现，其尾缘附近都出现了分离流动，只是随着压时，吸力面处的漩涡影响范围更广，下游也随之受比的变化，分离涡影响的范围逐渐增大；从第二级到影响。第二级第一级图3静

10、叶距叶根50％叶高处的流线图图4为静叶出口湍动能分布云图，由第一级动叶的对比中可以发现，压比为0．868时，来流对静叶出口的影响不大，只是在根部出现范围较小的高湍动能区域。随着压比的增大，湍动能也越来越高，影响的范围也逐渐变大。通过：!i；二级对第二级静叶的对比发现，由于受动静干涉以及通道涡的影响，使流体在静叶压力面处的扰动加强，并影响到出口区域。随着压比的增大，湍动能数值较高的区域逐渐增多，这必将对下游造成严重的影响。底∥§