为了提高工业汽轮机效率,实现节能减排和降低加工制造成本,对高转速工业汽轮机低压级组进行气动设计,并对其进行三维气动分析。完成了低压级组的一维设计、二维气动设计和叶型设计:动叶转速为6600r/min,进口总压为200kPa、进口总焓为2684.2kJ/kg、背压为7kPa下的流量为51.2t/h,总总效率为92.4%,总静效率为88.6%,达到设计要求。末级动叶的径高比为2.68,降低了转子的尺寸。三维流场分析显示:低压级组载荷分布均匀,级间匹配合理,气动性能良好;气动参数沿叶高分布均匀,叶片沿叶高具有良好的攻角特性。

针对工业汽轮机拖动用领域中的大型焊接式排汽缸,采用数值仿真方法对排汽缸内的流动特性、气动性能、流量特性与不同的撑管结构进行了计算与分析。揭示了大型焊接式排汽缸内的流场结构,分析了新型水滴型撑管对排汽缸气动性能的增益效果。同时,研究了变工况下排汽缸内流体在发展过程中的流量分布特性。研究结果表明排汽缸上游汽流主要以通道涡状态流动,并以逆向涡对结构流出排汽缸;采用水滴型撑管可以显著改善排汽缸的气动性能;排汽缸入口的周向速度对排汽缸出口的流量分布会产生重大影响。

针对采用喷嘴调节的工业汽轮机,其调节级根径显著高于转鼓级,在调节级出口设置轮室腔室来完成气流径向与轴向转弯,使其到达转鼓级进行膨胀做功。采用数值方法对轮室内的复杂流动进行了详细计算与分析,揭示了工业汽轮机轮室内的流场结构与损失机理,提出了轮室结构的气动优化方向。研究结果可以为工业汽轮机轮室的设计与优化提供理论依据。

采用自主研发的热力计算程序与高效叶型对兆瓦级S-CO2轴流透平进行了一维气动设计,根据所得结果展开建模造型,并利用FLUENT软件进行了三维气动数值分析,结果表明,研究中采用的一维气动设计方法具备可行性,且设计点气动性能优良,满足设计要求。

以高负荷、大扩张角、小根径/顶径比、大展弦比的工业汽轮机末级叶片为研究对象,设计了直扭静叶、弯扭静叶、周偏直扭静叶3种积叠方案,采用三维CFD方法数值模拟了3种方案的内部流动,分析了压比、反动度、马赫数、静压系数、气流角、效率等参数的变化和内部流场。结果表明:周偏直扭方案的级效率最高,达到90.65%,比直扭方案和弯扭方案分别高0.93%、0.81%;正弯和周偏都能提高根部反动度,形成从根部指向流道中部的压力梯度,减小端壁附近的横向二次流动,降低二次流损失,同时降低了马赫数、减小了激波损失。