中压排汽缸的气动性能直接影响汽轮机的整体效率,文章对单独排汽缸和汽轮机中压末级叶片、叶顶汽封耦合排汽缸进行数值对比分析,介绍了末级动叶片因旋转所带来的对排汽缸气动性能的变化以及不同的汽封汇入排汽缸的流动方式对排汽缸气动性能的影响。CFD数值研究表明,耦合末级叶片的数值模拟结果对中压排汽缸的流场结构影响是不可忽略的,在今后的排汽缸气动设计及优化工作中需考虑末级叶片的影响;叶顶汽封漏气汇入排汽缸的方式对排汽缸的进口条件影响较大,在以后的优化工作中需考虑叶顶汽封的影响。

针对提高工业汽轮机排汽缸气动性能、改善流场、降低流动损失问题,采用数值仿真方法对一种铸造式工业汽轮机排汽缸进行了详细研究与分析。揭示了工业汽轮机排汽缸内部的流动机理与气动特性,提出了工业汽轮机排汽缸内的典型流场结构;提出了一种表征排汽缸气动性能的热力计算方法,并与西门子公司的实验修正数据曲线进行了对比分析;为逼近排汽缸真实状态下的入口条件,将工业汽轮机三级低压级叶栅与排汽缸进行了联合计算,同时对比分析了排汽缸中肋板等附加结构对气动性能的影响。研究结果表明:多元的旋涡运动是造成排汽缸流动损失的重要方面,排汽缸内部的附加结构会恶化流动,而合理的肋板布置会改善排汽缸出口流场。

以某公司制造的带有非对称导流环的低压排汽缸为主要研究对象,采用标准k-ε模型,对不同蒸汽流量和不同入射角下排汽缸内流场和气动性能进行数值模拟。结果表明只考虑入口蒸汽沿轴向的流动时,额定流量下排汽缸的气动性能随着蒸汽质量流量的增加而升高,排汽缸最大静压恢复系数达到0.3,当蒸汽质量流量大于100%THA时,气动性能降低明显;考虑蒸汽入射角的影响时,排汽缸气动性能在最大入射角小于20°时变化较为平缓;角度继续增大后,排汽缸气动性能迅速恶化。非对称导流环表面的压力分布受蒸汽入射角影响显著。

本文以某改造汽轮机为背景,应用数值模拟以及理论计算的方法对低压缸排汽通道进行研究,分析了低压缸导流环的起始扩散角度、外直径对排汽缸相关性能的影响。结果表明随着导流环起始扩散角的减少,导流环外直径的增大,排汽缸的静压恢复系数均会得到提高,当起始扩散角为15°时,导流环外直径为5600 mm,流线与导流环贴合更好,流场分布稳定,静压恢复系数数值最大;优化导流环结构可以使低压排汽的静压恢复系数提高37.1%,总压损失系数降低了39%,排汽性能更优。

通过数值模拟的方法研究了蒸汽在排汽缸内的流动情况。三维稳态数值结果表明,排汽缸内部流动比较复杂,近壁面区域流动较为均匀,无明显漩涡。上半缸中的漩涡沿周向向下流动,并与下半缸的蒸汽发生掺混,在下半缸中心区域形成较大的漩涡。此外,肋板的摆放角度对排汽缸气动性能存在一定影响。

以某600 MW汽轮机为研究对象,应用计算流体力学软件CFX对低压缸末级和排汽缸的耦合模型进行了数值模拟,基于二次回归正交试验,在排汽缸上端安装导流板来削弱通道涡对排汽缸气动性能的影响,得到了导流板安装参数与静压恢复系数之间的回归方程。方程呈现非线性关系,显著不失拟,且三因素之间互不影响。求解回归方程的最优解,得出最佳的导流板安装方案。安装导流板后,通道涡被破碎,排汽缸的气动性能得到了明显的改善。排汽缸出口的静压恢复系数提高3.008%,总压损失系数降低5.789%,出口截面标准偏差降低了3.043。并且,不同负荷下优化后排汽缸出口的静压恢复系数均大于优化前。

以某600MW汽轮机为研究对象,应用计算流体力学软件CFX对低压缸末级和排汽缸的耦合模型进行了数值模拟,分析了导流环的起始扩散角、直径以及轴向长度对排汽缸气动性能的影响。结果表明:随着导流环起始扩散角的增加,排汽缸的气动性能得到改善,但当增加到30°时,在扩压器内会产生流动分离,其最佳值为25°;导流环的直径和轴向长度过大或过小均不利于排汽缸的气动性能,其中直径最佳值为5000mm,轴向长度最佳值为900mm。选取3个变量最佳值作为导流环的优化方案,与优化前排汽缸的气动性能进行对比,排汽缸出口的静压恢复系数提高了7.2%,总压损失系数降低了8.4%,气动性能有了明显的改善。

低压排汽缸的气动性能对整个汽轮机组热效率的影响至关重要。采用数值模拟方法，对600MW空冷汽轮机的排汽缸结构进行性能优化，使得排汽缸出口的静压恢复系数较原结构提高了9．2％、总压损失系数降低了5．3％。

以百万千瓦等级汽轮机的低压排汽缸为研究对象,运用CFX仿真分析软件,采用排汽缸单独计算与结合末级动叶联合计算两种方法,以及不同进出口边界条件组合形式,对比研究不同计算条件下的排汽缸气动特性。通过多种计算方案的对比分析,采用结合末级动叶进行联合计算的方法更符合低压排汽缸的实际气动特征,为后续的低压排汽缸优化改进工作提供有效的仿真分析基础。

数值计算是汽轮机结构优化设计的一种常用方法之一,而均匀性是仿真计算方案设计过程中最重要的法则。文中基于均匀试验设计方法构建一大功率汽轮机排汽缸设计尺寸的数值分析方案,采用CFX软件进行数值仿真,通过分析排汽缸内部流场结构和出口截面气动性能参数,优选出作为结构优化的设计方案。这对大功率汽轮机排汽缸的结构优化设计具有一定的借鉴意义。