小流量工况下透平与非轴对称排气系统流动机理研究

作     者：陈永超 

作者单位：中国科学院大学(中国科学院工程热物理研究所) 

学位级别：硕士

导师姓名：付经伦

授予年度：2021年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 080704[工学-流体机械及工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：小流量工况 末级透平 非轴对称排气系统 耦合流场 PIV粒子测速 

摘      要：排气系统是燃气轮机、汽轮机组中的重要组成部件,主要有两个作用:一个是回收末级透平的余速动能,减小透平出口背压,增加透平焓降,提高透平出功;二是引导气流流入下游。船用燃气轮机、E级及之前的重型燃机和大功率汽轮机多采用单侧径向排气系统,气流由末级透平流出,沿轴向进入排气系统,在排气蜗壳中转弯90°后流出,气流方向发生翻转,形成复杂的漩涡,并且随工况改变明显。无论是舰船开经济航速下低负荷运行的燃机还是电网中起灵活性调峰作用的汽机,工况变化频繁,存在部分负荷、小流量工况运行常态化的情况。小流量工况下,透平与排气系统内流动剧烈变化,导致排气系统丧失扩压能力,透平进入鼓风状态工作,降低机组运行效率和安全。因此,研究小流量工况下透平与非轴对称排气系统内的流动特征,寻求在宽负荷范围内提高透平与排气系统性能的改进方法,对拓宽机组高效安全运行的工况范围,提高热效率降低能源消耗具有重要意义。本文以300/600 MW汽轮机组排气系统1/15缩尺模型为研究对象,数值研究全工况范围内透平与排气系统耦合流场随流量变化的特性;随后,对排气蜗壳结构及扩压器几何结构进行了改进,分析了全工况范围内的改进效果;最后,对透平与排气系统耦合实验台进行了可视化改造,以开展耦合透平与排气系统的PIV实验研究。主要结论如下:（1）流量下降引起透平动叶负攻角增大,50%流量工况时透平输出功为负值,进入鼓风状态;负攻角来流引起透平动叶压力面前缘形成由叶根向叶顶发展的漩涡并逐渐扩大,使得小流量工况下气流由静叶半叶高以下位置流入动叶,在动叶根部翻转至叶顶后流出透平;透平出口旋流角的变化是影响排气系统内流动结构的主要因素;随着流量减小,排气系统内流场的非对称性减弱。（2）排气蜗壳上半缸高度增加,增大了气流在蜗壳内的实际通流面积,对蜗壳内的漩涡结构和透平叶栅出口流场的影响很小。小流量工况下,增大扩压器流通面积可以提高排气系统的扩压能力,降低排气系统的总压损失。