超临界二氧化碳(S-CO2)循环发电技术是未来发电市场极具前景的发展方向,透平是循环的核心部件,直接决定S-CO2发电系统的动力性和经济性。借鉴蒸汽透平的设计理论和经验进行了300MW等级S-CO2系统透平设计,利用哈汽公司高性能叶型数据库进行三维叶型设计。三维气动性能分析表明,S-CO2透平气动性能优良,流量、效率、功率等指标满足设计要求。有限元分析表明,典型级动叶片应力、频率合格,设计方案可行。

深入地研究了汽轮机通流部分基本设计参数对流动损失的综合影响,提出了能够有效提升通流效率的多级小焓降叶片气动设计方法,并结合各种流动损失的产生机理揭示了多级小焓降叶片气动设计方法在理论上的内在合理性。将多级小焓降叶片气动设计方法与其它准三维和三维叶片设计技术融合,应用于哈汽公司1000MW超超临界汽轮机高压通流的气动设计,随之进行的叶栅风洞试验和机组性能试验结果证实了多级小焓降叶片气动设计方法在工程设计中的有效性。

基于叶片气动和结构振动仿真计算平台,建立了汽轮机长叶片流固耦合的三维计算模型。以国外某60 Hz汽轮机机组次末级叶片为例,分析了叶片流场的气动特性和整圈叶片结构场的振动特性,并进一步结合能量法准则,提出了汽轮机长叶片颤振预测和评估的方法。结果表明,机组流量和叶片节径振动形式对叶片颤振特性影响很大。对于当前次末级叶片,40%流量工况时,流场内压力脉动诱导叶片颤振发生的概率为80%-90%,因此在小流量工况下需慎重使用该类叶片。基于单向流固耦合的方法,能够有效且相对快速地分析流场中脉动压力作用下的周期功,获得叶片模态振动条件下的气动阻尼系数,从而预测叶片颤振特性。

首先对无平衡孔和有平衡孔的通流进行数值模拟,计算表明,有平衡孔的通流效率要低于无平衡孔的通流效率,同时轴向推力也有所降低。在此基础上,数值研究了平衡孔数量和直径对通流气动性能的影响。结果表明:在平衡孔数量固定的情况下,随着平衡孔直径的增加,级效率逐渐降低;在平衡孔直径固定的情况下,随着平衡孔数量的增加,级效率和轴向推力都呈现逐渐降低的趋势。