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蒸汽轮机末级叶片沟槽除湿方法的数值模拟

作　者: 丁化文
导　师: 韩万金
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 动力机械及工程
关键词: 汽轮机 湿蒸汽 凝结流动 定常 除湿
分类号: TK263.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


随着大功率汽轮机、核电汽轮机、核动力舰用汽轮机、地热电站汽轮机的迅速发展,汽轮机低压末几级动叶片的水蚀问题越来越严重。湿蒸汽的存在一方面降低了级运行效率;另一方面也造成了动叶片的可靠性下降。空心静叶沟槽除湿法,是防止或减轻动叶水蚀的最直接且有效的方法之一。如果抽吸缝隙结构设计的合理,可以去除大部分对动叶有危害的水份,不仅可以减轻或消除动叶的水蚀,而且还可以减少大水滴所造成的制动损失和摩擦损失。概述了蒸汽两相流理论的发展,总结了国内外在这方面研究的现状和存在的问题。同时也介绍了国内外透平内部除湿技术的应用及研究情况,并简要分析了各种除湿方法的优缺点。通过对某汽轮机末级原型叶片叶栅流场的流动分析,给出叶片压力面和吸力面开设抽吸缝的合适位置,并设计了四种双缝抽吸方案,同一方案开设两个几何结构相同的抽吸缝隙。本文以Reynolds平均的三维Navier-Stokes方程为基础,采用Eulerian-Eulerian法建立了用于描述两相流动问题的两相均匀介质流动模型的控制方程,基于平衡相变模型编写了水蒸气实际热物理属性文件,并以CFX计算软件为平台,采用均匀介质多相模型发展了一种模拟叶栅内湿蒸汽流动模拟的计算方法,并对计算结果进行了详细分析。计算结果表明同一方案下压力面上的缝隙抽吸量一般要比吸力面上的缝隙抽吸量要大,对于单个缝隙,缝隙的汽流抽吸量随抽吸压比的减小而增大,随着抽吸缝隙宽度的增大而增大,较小的进口角度和适当的过渡圆角可以提高缝隙的抽吸效果。同时发现,抽吸缝隙仅对抽吸缝隙附近气流的参数有所影响,其影响大小与抽吸量成正比,抽吸缝隙所抽吸的叶栅汽流越多,其对叶栅流道内气流的参数影响越大,开设双抽吸缝合理方案的选择应考虑两个方面的因素:缝隙结构对叶片级气动效率的影响和缝隙处汽流的流动特点是否有利于去水效率的提高。

全文目录


摘要  3-4
Abstract  4-8
第1章 绪论  8-19
  1.1 课题来源及研究的目的和意义  8-12
    1.1.1 湿蒸汽两相流的发展及特点  8-10
    1.1.2 湿蒸汽两相流研究  10-12
  1.2 国内外湿蒸汽研究现状  12-13
  1.3 国内外在汽轮机内部除湿方向的研究现状及分析  13-18
    1.3.1 静叶除湿技术  14-16
    1.3.2 动叶除湿技术  16-17
    1.3.3 动、静叶栅间隔板装置除湿法  17-18
  1.4 本文的主要研究内容  18-19
第2章 湿蒸汽自发凝结流动特性的数值研究  19-34
  2.1 气、液两相凝结流动模型方程  19-20
  2.2 数值方法  20-26
    2.2.1 汽相控制方程  22-23
    2.2.2 液相控制方程  23-24
    2.2.3 均相模型控制方程  24-26
  2.3 液滴凝结成核理论  26-29
  2.4 水蒸汽的平衡相变模型  29-30
  2.5 数值模拟工具简介  30-33
    2.5.1 前处理（ANSYS ICEM_CFD）模块  31-32
    2.5.2 求解器（ANSYS CFX_Solver）模块  32-33
    2.5.3 后处理（ANSYS CFX_Post）模块  33
  2.6 本章小结  33-34
第3章 原型叶栅数值模拟及抽吸缝结构设计  34-53
  3.1 引言  34-35
  3.2 计算网格和边界条件  35-37
  3.3 叶栅流道内的流场分析  37-46
  3.4 抽吸缝隙的除湿机理及设计原则  46-50
    3.4.1 抽吸缝隙的除湿机理分析  46-47
    3.4.2 缝隙宽度对去湿效率的影响  47-48
    3.4.3 缝隙角度对去湿效率的影响  48
    3.4.4 抽吸缝隙对流场的影响  48-49
    3.4.5 抽吸缝隙的设计原则  49-50
  3.5 设计方案与几何结构  50-52
  3.6 本章小结  52-53
第4章 带除湿沟槽叶栅方案的数值研究  53-81
  4.1 计算区域、网格及边界条件  53-56
  4.2 抽吸缝叶栅流场计算结果及分析  56-59
    4.2.1 抽吸量  57-58
    4.2.2 叶栅效率  58-59
  4.3 空腔内及抽吸缝附近的流场分析  59-64
  4.4 叶栅流道内的流场分析  64-80
    4.4.1 型面压力  64-66
    4.4.2 静叶 S1 流面压力分布  66-70
    4.4.3 静叶 S1 流面湿度分布  70-74
    4.4.4 静叶 S1 流面马赫数分布  74-77
    4.4.5 动叶 S1 流面压力和马赫数分布  77-80
  4.5 本章小结  80-81
结论  81-83
参考文献  83-88
致谢  88

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中图分类: > 工业技术 > 能源与动力工程 > 蒸汽动力工程 > 蒸汽轮机（蒸汽透平、汽轮机） > 构造 > 叶片（汽片）
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