汽轮机低压缸末级叶顶间隙泄漏流动的数值研究.pdf

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1、第36卷第6期东北电力大学学报VoI．36．No．62016年12月JournalOfNortheastDianliUniversityDec．．2016文章编号：1005-2992(2016)06—0036—07汽轮机低压缸末级叶顶间隙泄漏流动的数值研究张炳文，李天巍，李勇(东北电力大学能源与动力工程学院，吉林吉林132012)摘要：借助商用计算流体动力学软件CFX，选用带剪切应力传输的ShearStressTransport(SST)流体模型，对不同容积流量下某大型汽轮机低压缸末级动叶顶部间隙进行了三维黏性定常流动

2、的数值研究，分析了叶顶间隙的流动特性。结果表明：在设计容积流量时，压力面附近的流体在压力面和吸力面压差的作用下泄漏到吸力面处。相对容积流量k=0．36时，在从前缘开始到叶型中间的位置，吸力面汽流泄漏到压力面，而叶型中间位置到尾缘的范围内，保持原来的流向不变。在相对容积流量k=0．19时，在从前缘开始的大部分弦长上，吸力面汽流会泄漏到压力面，只有尾缘一小部分范围保持了原本的流向。在所有的工况下，可以见到汽流流过叶顶问隙时，由于不能像墙壁那样拐弯，在叶顶正上方回流区形成很小的回流涡。叶顶间隙对叶片顶部的流场有一定影响，但影

3、响不大。关键词：汽轮机；末级叶片；小容积流量；叶顶间隙；数值研究中图分类号：TK262文献标识码：A由于汽轮机转子与汽缸壁的相对运动，动叶叶顶与汽缸壁之间存在一定的间隙。当蒸汽在叶片通道内流动时，叶片压力面和吸力面的压差促使一部分流体从一边流到另一边，造成泄漏损失。汽轮机在小容积流量下运行并不鲜见，低负荷运行、空冷机组、凝汽式供热机组以及抽汽供热式机组抽汽量很大时，会出现小容积流量工况。所以，对小容积流量下末级动叶叶顶间隙的流场研究有很大的必要性。文献[1]的模拟表明，叶尖间隙对从大约70％叶高到叶尖位置的叶片损失具有

4、明显的影响，有叶尖间隙时的压力损失系数或能量损失系数比没有叶尖间隙时的压力损失系数或能量损失系数大，而且随着间隙的增大，损失明显增大。文献[2]的模拟表明，由于叶顶间隙的泄漏流与通道内主流相互作用形成泄漏涡，随着叶顶间隙的增加，泄漏涡的影响更大。文献[3]表明，叶顶间隙流对动叶效率有很大的负面影响，随着间隙的增大，流动损失迅速增长。在沿轴向间隙前部，间隙流由随流动惯性进入间隙的端壁边界层成为流体主导，但叶顶两侧压差所导致的横向流动很快主导了间隙内的流场，成为间隙涡产生的主要原因。文献[4]表明在叶顶前部靠近吸力面的区域

5、，进口端壁边界层的流动惯性是间隙流形成的主要原因。文献[5]研究了带围带的动叶顶部间隙内泄漏流动对动叶流动效率以及下一级静叶进口汽流角的影响特性。文献[6]采用FLUENT软件对某300MW汽轮机高压反动级叶栅的内部流动损失进行数值分析。结果表明，随着级进汽流量的减少，同一通流部分截面内的熵函数值呈逐渐上升趋势；叶栅压力横向梯度加剧，导致端壁二次涡区影响范围增大，损失逐渐增大；动叶尾部流场紊乱程度增大，湍流动能增大；压力系数沿流动方向逐渐增大，高损失区首先在前缘部分产生。文献[7]采用计算流体动力学软件分析某汽轮机高压

6、级叶顶汽封内的泄漏流动特性及泄漏流在级后与主流的掺混过程，分析结果表明，汽封间隙内充满着复杂的涡运动。文献[8]以某汽轮机高压级动叶为研究对象，对在相同叶顶间隙高度下的常规扭叶片和正弯扭叶片的叶顶间隙流动进行了数值模拟，结果表明：与常规扭叶片相比，叶片正弯提高了汽流在叶顶区的最低压力值，减小了叶顶压力边与吸力边的横向压力梯度。文收稿日期：2016—04—12作者简介：张炳文(1953一)，男，吉林省吉林市人，东北电力大学能源与动力工程学院教授，硕士，主要研究方向：火电厂节能技术第6期张炳文等：汽轮机低压缸末级叶顶间隙泄

7、漏流动的数值研究37献[9]和文献[10]也采用数值模拟方法对热能设备进行了性能估计，显现了数值模拟方法及其应用软件的有效性。本文采用商业CFX，获得了某330MW汽轮机低压缸末级在不同容积流量下的三维流场，全面分析了高背压小容积流量时末级叶片叶顶间隙的流场特性。1几何模型与数值方法图1为末级单流道网格，本文的低压缸末级动叶高度为1000mm，静叶高度为953mill，静叶叶顶呈45度倾角，动静叶间隙为ll5．2mm，动叶叶顶间隙为11．2mm。为了更好地模拟末级流场，在静叶入口和末级出口加一定距离的延长段，使汽流充分

8、发展。网格在TurboGrid中生成，静叶网格数为72万，动叶网格数为74万，网格总数为146万。模拟采用CFX中的k-e和SST流体模型，当背压比较低时，采用k-e模型；背压升高后，采用适用于有流动分离流场的SST流体模型。工质选择真实图1模型和网格划分湿蒸汽模型IAPWS—IF97标准steam3vl水蒸汽模型，该模型适用于压