汽轮机末级变工况性能研究与流道改进设计

论文摘要

汽轮机是实现热能向机械能和电能转化的主要机械,是能源转换的重要装置。本文使用ANSYS Workbench平台,对某25 MW凝汽式汽轮机的末级进行气动和强度性能分析,并对其结构进行改进,以提高机组的效率和性能。主要内容及结论如下：1)由于原热力设计参数不全,本文首先根据现有热力参数对其设计工况和六种非设计工况进行了热力计算,为数值模拟结果的考证提供了参考数据；2)采用四级透平的模拟结果与实验值和设计值进行比较,结果表明,模拟值与实验值相差4.22%,与设计值相差2.74%,验证了本文计算模型的准确性；3)通过将末级的数值模拟结果与热力计算参数比较表明,除等熵效率和轴功率与设计值相差较大外,出口静温等参数与设计值吻合较好。通过对各工况下等效应力的分析表明,该级动叶的等效应力远小于许用应力,满足强度要求；4)通过分析等熵效率、压力系数、内部流场以及应力分布情况,获得了影响流道效率的因素。根据分析结果,使用BladeGen对流道结构进行改进,通过分析气动和强度性能来评价改进的效果。流道的改进方式和效果如下：a)通过修改静叶前缘和尾缘的椭圆率,可使喷嘴效率提高0.23%,末级等熵效率提高0.067%；该方法用于动叶可使末级等熵效率提高0.2%左右；b)通过修改静叶和动叶型线,可使末级等熵效率分别提高0.65%和2.16%；c)通过调整中弧线角度,改进级间配比,可使末级等熵效率提高0.3%左右；d)五种静叶子午端壁形状的模拟结果表明,当端壁子午线为水平线时,可提高喷嘴效率和轴功率,但降低了末级的等熵效率；e)模拟结果表明,当动叶数目为112时,轴功率提高了9.4%,末级等熵效率提高了0.33%,而进口流量和等效应力几乎不变。本文为汽轮机流道提供了一种基于ANSYS Workbench平台下BladeGen模块的叶栅流道结构改进新方式。采用该方法能够有效地提高汽轮机效率,缩短研发周期,节约成本,为现代汽轮机通流改造技术的发展提供参考和依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 研究的目的和意义
• 1.2 选题的背景
• 1.3 文献综述
• 1.4 问题的提出与研究的设想
• 1.5 论文主要研究内容及章节安排
• 2 求解参数设置与性能评价指标确定
• 2.1 前言
• 2.2 气动性能分析求解参数设置
• 2.2.1 物理模型
• 2.2.2 控制方程
• 2.2.3 湍流模型
• 2.2.4 网格划分
• 2.2.5 工质属性
• 2.2.6 边界条件
• 2.2.7 求解参数
• 2.2.8 收敛准则
• 2.3 强度性能分析求解参数设置
• 2.3.1 几何模型
• 2.3.2 分析类型
• 2.3.3 材料属性
• 2.3.4 网格划分
• 2.3.5 约束与载荷
• 2.4 性能评价指标选择
• 2.4.1 等熵效率
• 2.4.2 喷嘴效率
• 2.4.3 轴功率
• 2.4.4 压力系数
• 2.4.5 许用应力
• 2.5 本章小结
• 3 变工况性能理论分析与数值计算
• 3.1 前言
• 3.2 热力计算
• 3.2.1 设计工况热力计算
• 3.2.2 变工况热力计算
• 3.3 气动分析求解参数考核
• 3.3.1 网格质量考核
• 3.3.2 动静叶通道交接面方案考核
• 3.3.3 不同进出口边界条件设置考核
• 3.3.4 四级透平模型考核
• 3.4 数值模拟结果考核
• 3.5 数值模拟结果分析
• 3.5.1 等熵效率分析
• 3.5.2 压力系数分析
• 3.5.3 流场分析
• 3.5.4 强度分析
• 3.6 本章小结
• 4 流道性能分析与改进设计
• 4.1 前言
• 4.2 流道改进方法
• 4.3 叶型前缘和尾缘对流道气动性能的影响
• 4.3.1 引言
• 4.3.2 静叶前缘和尾缘改型分析
• 4.3.3 动叶前缘和尾缘改型分析
• 4.4 叶片型线的修改对流道气动性能的影响
• 4.4.1 引言
• 4.4.2 静叶型线的改进
• 4.2.3 动叶型线的改进
• 4.5 动静叶的级间配比对流道气动性能的影响
• 4.6 静叶子午端壁型线对流道气动性能的影响
• 4.7 动叶数目对流道性能的影响
• 4.8 本章小结
• 5 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 创新点
• 5.3 展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果