CN102373971A - 轴流透平与单侧径向排汽/气系统一体化气动设计方法 - Google Patents

Abstract

一种轴流透平与单侧径向排汽/气系统一体化气动设计方法，其包括：a)对轴流透平进行多目标设计；b)在真实入口条件下，对单侧径向排汽/气系统进行多目标设计；c)轴流透平与单侧径向排汽/气系统进行匹配分析。本发明方法作用有三：一是保证在实际运行环境下，排汽/气系统具有良好的扩压能力，从而降低透平出口背压，增加透平出功，提高机组热效率；二是削弱单侧径向排汽/气系统内流动的周向不均匀程度，降低透平动叶片气动力在一周内的波动幅值；三是减小排汽/气系统内部流动失稳引起的透平叶片表面低频非定常气动力，提高机组运行安全。本发明方法适用于所有单侧径向排汽/气的轴流式汽轮机/燃气轮机的透平与排汽/气系统的气动设计。

Description

轴流透平与单侧径向排汽/气系统一体化气动设计方法

技术领域

本发明涉及一种轴流透平与单侧径向排汽/气系统的一体化气动设计方法。

背景技术

大功率汽轮机和舰船燃气轮机的单侧径向排汽/气系统，是流道末端的通流部件，用于回收透平出口的余速动能，在给定的排汽/气系统出口压力的情况下降低透平的背压，增加透平的出功，提高机组的热效率。在单侧径向排汽/气系统内部，汽/气流从透平出口到排汽/气系统出口之间有大约90°的折转，从而在透平出口截面产生非轴对称流场，使得透平叶片在不同的周向位置感受到不同的背压；同时，排汽/气系统内部流动失稳产生的压力脉动，也使透平叶片受到低频非定常气动力的作用，影响透平叶片运行安全。透平出口的流场分布也影响排汽/气系统内部流场，引起排汽/气系统扩压器出现流动分离，降低甚至完全丧失对透平出口余速动能的回收能力，使透平背压与排汽/气系统出口压力接近甚至高于排汽/气系统出口压力，减少透平出功，降低机组热效率。此外，透平出口的流场对排汽/气系统内部流场的影响还会增大排汽/气系统内部流动的非定常脉动，进一步影响透平叶片运行安全。总之，在真实环境下，存在透平叶片排与排汽/气系统之间的强气动相互作用，对透平叶片的运行安全以及机组的热效率都会产生重要影响。见图2，现有的通流设计方法中，不考虑叶片排与排汽/气系统间的气动相互作用，通常在假定轴对称出口、进口流动条件下，分别对透平叶片和排汽/气系统进行设计，得到的透平与排汽/气系统在实际环境中的性能与设计值相差较大。本发明对透平叶片排与排汽/气系统提出了一体化的设计方法，有别于以往的设计方法。

发明内容

本发明的目的是公开一种轴流透平与单侧径向排汽/气系统一体化气动设计方法，充分考虑了真实环境下透平与排汽/气系统之间的流场相互作用情况，以提高轴流式汽轮机和燃气轮机的机组热效率以及运行安全，本发明方法适用于任何一种单侧径向排汽/气的轴流式汽轮机和燃气轮机的透平与排汽/气系统。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种轴流透平与单侧径向排汽/气系统一体化气动设计方法，其包括：

a)对轴流透平进行多目标设计；b)在真实入口条件下，对单侧径向排汽/气系统进行多目标设计；c)轴流透平与单侧径向排汽/气系统进行匹配分析。

所述的一体化气动设计方法，其包括步骤：

(1)对透平叶片型线以及积叠线进行气动设计；

(2)根据实际运行情况下透平出口流场对排汽/气系统压力恢复能力、排汽/气系统内部流动损失和非定常脉动的影响机理，对透平出口切向气流角和总压沿径向的分布形式提出设计要求；

(3)考察透平气动损失及出口流场分布是否能够接受，如果可以接受，即得到透平初步设计方案；

(4)得到透平初步设计方案后，提取透平出口流场，在透平出口流场下，对单侧径向排汽/气系统结构进行气动设计；

(5)考虑到单侧径向排汽/气系统流场对透平气动性能的影响，从扩压能力、排汽/气系统入口流场的周向不均匀程度和非定常脉动程度三方面，对单侧径向排汽/气系统的气动性能进行评估；如果排汽/气系统气动性能可以接受，排汽/气系统初步设计方案确定；

(6)轴流透平与单侧径向排汽/气系统初步方案都确定后，对二者间的耦合流场进行验证：在实际流场下，考察透平的气动损失、透平叶片所受非定常气动力以及排汽/气系统扩压能力是否满意，如果可以接受，轴流透平与单侧径向排汽/气系统一体化气动设计完成，如果不可以接受，则返回步骤(1)，重新开始。

所述的一体化气动设计方法，其所述步骤(2)中的设计要求，是：

(a)透平出口环面根部绝对切向气流角为0-20°，顶部绝对切向气流角＞40°，并且从根部到顶部气流角变化光滑；(b)出口绝对总压沿径向呈负梯度变化。

所述的一体化气动设计方法，其所述步骤(3)中考察透平气动损失及出口流场分布，如果不可以接受，则返回步骤(1)。

所述的一体化气动设计方法，其所述步骤(5)，如果排汽/气系统气动性能不能接受，则重复步骤(4)。

所述的一体化气动设计方法，其所述单侧径向排汽/气系统，为单侧径向排汽或排气系统。

所述的一体化气动设计方法，其所述绝对切向气流角，是与轴向夹角。

本发明的轴流透平与单侧径向排汽/气系统一体化气动设计方法，在实际运行环境下，既能保证排汽/气系统具有良好的扩压能力，降低透平出口背压，增加透平出功，提高机组热效率，又能减小单侧径向排汽/气系统内流场的非轴对称程度，降低叶片表面的气动力沿周向的变化幅度，还能降低排汽/气系统内部由于流动失稳产生的压力脉动，提高透平叶片和机组的运行安全。

附图说明

图1为本发明的轴流透平与单侧径向排汽/气系统一体化气动设计方法流程示意图；

图2为现有的非一体化透平与排汽/气系统气动设计流程示意图。

具体实施方式

本发明的轴流透平与单侧径向排汽/气系统一体化气动设计方法，基于对透平叶片排与单侧径向排汽/气系统间的强气动相互作用，提出了一种新的气动设计方法。该设计方法提出对轴流透平与非轴对称排汽/气系统进行一体化设计。为了保证实际运行环境下排汽/气系统具有良好的扩压能力，同时为了提高透平叶片的运行安全，设计中以提高排汽/气系统对末级透平出口余速动能的回收能力，降低透平出口流场的非轴对称程度，减小排汽/气系统内部流动失稳产生的压力脉动为总设计目标，并对透平叶片排与单侧径向排汽/气系统分别提出新的设计要求。对于透平叶片排，一方面要求透平叶片在一定的背压范围内气动损失较小；另一方面还要求透平叶片出口切向气流角和总压沿径向分布的形式能使排汽/气系统最大限度地回收透平出口的余速动能，同时还能使排汽/气系统入口处压力具有较低的由于流动失稳产生的非定常脉动；对于单侧径向排汽/气系统，一方面要求排汽/气系统的扩压能力较高，另一方面还要求排汽/气系统内尤其是排汽/气系统入口的流场沿周向的变化幅度最小。通过对轴流透平和单侧径向排汽/气系统一体化气动设计，实现透平和排汽/气系统的最佳气动匹配。

在真实环境下对透平叶片与排汽/气系统进行气动设计，设计中除了要求透平叶片与排汽/气系统满足总体通流设计中对各自气动性能所提出的要求，还考虑二者之间实际存在的强气动相互作用，兼顾二者流场间的相互影响或限制。依据图1中轴流透平与单侧径向排汽/气系统一体化气动设计流程，具体措施阐述如下：

(1)对透平叶片型线以及积叠线进行气动设计；

(2)根据实际运行情况下透平出口流场对排汽/气系统压力恢复能力以及排汽/气系统内部流动损失和非定常脉动的影响机理，对透平出口切向气流角和总压沿径向的分布形式提出新的设计要求，具体设计原则是：(a)透平出口环面根部绝对切向气流角(与轴向夹角)较小(0-20°)，顶部绝对切向气流角(与轴向夹角)较大(＞40°)，并且从根部到顶部气流角变化光滑；(b)出口绝对总压沿径向呈负梯度变化。考察透平气动损失以及出口流场分布是否能够接受，如果可以接受，即得到透平初步设计方案；如果不可以接受，则返回(1)；

(3)得到透平初步设计方案后，提取透平出口流场。在透平出口流场下，对单侧径向排汽/气系统结构进行气动设计；

(4)考虑到单侧径向排汽/气系统流场对透平气动性能的影响，从扩压能力、排汽/气系统入口流场的周向不均匀程度和非定常脉动程度三方面，对单侧径向排汽/气系统的气动性能进行评估。如果排汽/气系统气动性能可以接受，排汽/气系统初步设计方案确定；如果不能接受，则重复(3)；

(5)轴流透平与单侧径向排汽/气系统初步方案都确定后，对二者间的耦合流场进行验证。在实际流场下，考察透平的气动损失、透平叶片所受非定常气动力以及排汽/气系统扩压能力是否满意，如果可以接受，轴流透平与单侧径向排汽/气系统一体化气动设计完成；如果不可以接受，则返回(1)。

本发明的轴流透平与单侧径向排汽/气系统一体化气动设计方法，其优点在于：

一，在真实环境下对轴流透平与单侧径向排汽/气系统进行气动设计，即在设计过程中，透平与排汽/气系统内流场及气动性能与真实运行环境下相同，具有非定常性、非轴对称性及流场相互作用；

二，考虑轴流透平出口流场与单侧径向排汽/气系统流场间的相互作用机理，以及透平气动性能与排汽/气系统气动性能之间的相互影响，对透平叶片与排汽/气系统的气动设计提出新的设计要求；

三，对轴流透平与单侧径向排汽/气系统进行一体化气动设计和分析评价，达到透平与排汽/气系统流场之间的最佳匹配，得到整体最优的气动性能。

Claims (7)

1.一种轴流透平与单侧径向排汽/气系统一体化气动设计方法，其特征在于，包括：

a)对轴流透平进行多目标设计；b)在真实入口条件下，对单侧径向排汽/气系统进行多目标设计；c)轴流透平与单侧径向排汽/气系统进行匹配分析。

2.如权利要求1所述的一体化气动设计方法，其特征在于，包括步骤：

(1)对透平叶片型线以及积叠线进行气动设计；

(2)根据实际运行情况下透平出口流场对排汽/气系统压力恢复能力、排汽/气系统内部流动损失和非定常脉动的影响机理，对透平出口切向气流角和总压沿径向的分布形式提出设计要求；

(3)考察透平气动损失及出口流场分布是否能够接受，如果可以接受，即得到透平初步设计方案；

(4)得到透平初步设计方案后，提取透平出口流场，在透平出口流场下，对单侧径向排汽/气系统结构进行气动设计；

(5)考虑到单侧径向排汽/气系统流场对透平气动性能的影响，从扩压能力、排汽/气系统入口流场的周向不均匀程度和非定常脉动程度三方面，对单侧径向排汽/气系统的气动性能进行评估；如果排汽/气系统气动性能可以接受，排汽/气系统初步设计方案确定；

(6)轴流透平与单侧径向排汽/气系统初步方案都确定后，对二者间的耦合流场进行验证：在实际流场下，考察透平的气动损失、透平叶片所受非定常气动力以及排汽/气系统扩压能力是否满意，如果可以接受，轴流透平与单侧径向排汽/气系统一体化气动设计完成，如果不可以接受，则返回步骤(1)，重新开始。

3.如权利要求2所述的一体化气动设计方法，其特征在于，所述步骤(2)中的设计要求，是：

(a)透平出口环面根部绝对切向气流角为0-20°，顶部绝对切向气流角＞40°，并且从根部到顶部气流角变化光滑；(b)出口绝对总压沿径向呈负梯度变化。

4.如权利要求2所述的一体化气动设计方法，其特征在于，所述步骤(3)中考察透平气动损失及出口流场分布，如果不可以接受，则返回步骤(1)。

5.如权利要求2所述的一体化气动设计方法，其特征在于，所述步骤(5)，如果排汽/气系统气动性能不能接受，则重复步骤(4)。

6.如权利要求2所述的一体化气动设计方法，其特征在于，所述单侧径向排汽/气系统，为单侧径向排汽或排气系统。

7.如权利要求3所述的一体化气动设计方法，其特征在于，所述绝对切向气流角，是与轴向夹角。

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