一種軸流透平與單側(cè)徑向排汽/氣系統(tǒng)設(shè)計方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于透平與排汽/氣系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種軸流透平與單側(cè)徑向排汽/氣系統(tǒng)的設(shè)計方法。
【背景技術(shù)】
[0002]單側(cè)徑向排汽/氣系統(tǒng)常用于大功率凝汽式汽輪機(jī)和艦船燃?xì)廨啓C(jī)，用于將透平出口的余速動能轉(zhuǎn)換為壓力勢能，在給定排汽/氣系統(tǒng)出口壓力情況下降低透平背壓，增加透平出功，提高機(jī)組的熱效率。在單側(cè)徑向排汽/氣系統(tǒng)內(nèi)部，由于透平排汽/氣從近軸向轉(zhuǎn)變?yōu)閺较颍瑥亩谕钙匠隹诮孛娈a(chǎn)生非軸對稱流場，再加上排汽/氣系統(tǒng)內(nèi)部的壓力脈動，使得透平背壓隨周向位置和時間均發(fā)生變化，透平葉片受到低頻非定常氣動力的作用，影響透平葉片的安全。與此同時，透平出口的流場分布也影響排汽/氣系統(tǒng)內(nèi)部流動，引起排汽/氣系統(tǒng)擴(kuò)壓器流動分離，降低甚至完全喪失對透平出口余速動能的回收能力，并且還會增大排汽/氣系統(tǒng)內(nèi)部流動的非定常脈動幅值，進(jìn)一步影響透平葉片運行安全。研究表明，葉片在氣動力作用下會發(fā)生振動，由流體激振誘發(fā)的葉片失穩(wěn)和疲勞失效是造成葉片損壞的主要因素。軸流透平與單側(cè)徑向排汽/氣系統(tǒng)之間的強(qiáng)氣動相互作用，對機(jī)組熱效率和透平葉片運行安全都會產(chǎn)生重要影響，在透平與排汽/氣系統(tǒng)氣動設(shè)計階段兼顧二者內(nèi)部非定常耦合流場對各部件氣動性能和運行安全方面的影響，有利于合理組織和利用二者之間的非定常耦合流場，降低透平與排汽/氣系統(tǒng)的氣動損失，減小葉片氣動激振力，提高葉片氣動阻尼，同時滿足多部件(即透平與排汽/氣系統(tǒng))在多物理場(即氣動、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、可靠性)方面的設(shè)計要求。而現(xiàn)有的通流設(shè)計方法中，通常將透平與排氣系統(tǒng)作為兩個獨立部件，并將各個部件的氣動性能參數(shù)作為獨立的設(shè)計目標(biāo)，也不考慮排汽/氣系統(tǒng)對透平葉片運行安全的影響。本發(fā)明提取影響多物理場(即氣動、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、可靠性)下性能的多個參數(shù)作為設(shè)計目標(biāo)，對透平葉片排與排汽/氣系統(tǒng)多部件進(jìn)行同時滿足氣動和安全性目標(biāo)的設(shè)計，與以往的設(shè)計方法相比具有明顯區(qū)別。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003](一)要解決的問題
[0004]本發(fā)明的目的是公開一種軸流透平與單側(cè)徑向排汽/氣系統(tǒng)設(shè)計方法，充分考慮了透平與排汽/氣系統(tǒng)之間的非定常耦合流場以及該耦合流場對葉片安全性的影響，同時滿足提高透平和排汽/氣系統(tǒng)氣動性能和降低透平葉片失效的設(shè)計要求，達(dá)到提高軸流式汽輪機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)的機(jī)組熱效率以及運行安全的目標(biāo)，本設(shè)計方法適用于任何一種單側(cè)徑向排汽/氣的軸流式汽輪機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)的透平與排汽/氣系統(tǒng)。
[0005]( 二)技術(shù)方案
[0006]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的一種軸流透平與單側(cè)徑向排汽/氣系統(tǒng)設(shè)計方法，包括步驟如下:
[0007]步驟S1:獲取軸流透平和排汽/氣擴(kuò)壓器設(shè)計，構(gòu)建軸流透平出口流場數(shù)據(jù)庫；
[0008]步驟S2:利用軸流透平出口流場數(shù)據(jù)庫，獲取排汽/氣系統(tǒng)初步設(shè)計，利用對透平和排汽/氣系統(tǒng)的非定常耦合流場分析結(jié)果，得到排汽/氣系統(tǒng)初步設(shè)計方案；
[0009]步驟S3:對排汽/氣系統(tǒng)非軸對稱非定常流場影響下的透平進(jìn)行流固耦合分析，得到軸流透平與單側(cè)徑向排汽/氣系統(tǒng)的流固耦合設(shè)計方案。
[0010](三)有益效果
[0011]本發(fā)明考慮到透平與排汽/氣系統(tǒng)非定常耦合流場對二者氣動性能和運行安全方面的影響，對透平和排汽/氣系統(tǒng)兩部件進(jìn)行設(shè)計，滿足多部件(即透平與排汽/氣系統(tǒng))在多物理場(即氣動和結(jié)構(gòu)壽命)方面的設(shè)計要求。
[0012]本發(fā)明的軸流透平與單側(cè)徑向排汽/氣系統(tǒng)設(shè)計方法，一是既能保證透平與排汽/氣系統(tǒng)同時具有良好的氣動性能，使得在機(jī)組熱力參數(shù)不變情況下，透平出功增加，提高機(jī)組熱效率；二是通過合理組織透平與排汽/氣系統(tǒng)內(nèi)的非定常非軸對稱耦合流場，削弱因耦合流場引發(fā)的葉片振動，減少流體激振引起失穩(wěn)和失效事故的發(fā)生幾率，提高機(jī)組運行安全。
【附圖說明】
[0013]圖1為現(xiàn)有的透平與排汽/氣系統(tǒng)氣動設(shè)計流程示意圖；
[0014]圖2為本發(fā)明的軸流透平與單側(cè)徑向排汽/氣系統(tǒng)氣動設(shè)計方法流程示意圖；
[0015]圖3為獲取軸流透平和排汽/氣擴(kuò)壓器設(shè)計的實施例流程圖；
[0016]圖4為獲得排汽/氣系統(tǒng)初步設(shè)計方案的實施例流程圖；
[0017]圖5為獲得軸流透平與單側(cè)徑向排汽/氣系統(tǒng)的氣動設(shè)計方案的實施例流程圖；
[0018]圖6為本發(fā)明的軸流透平與單側(cè)徑向排汽/氣系統(tǒng)氣動設(shè)計方法具體實施例示意圖。
【具體實施方式】
[0019]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0020]本發(fā)明的軸流透平與單側(cè)徑向排汽/氣系統(tǒng)設(shè)計方法，基于對透平葉片排與單側(cè)徑向排汽/氣系統(tǒng)間的強(qiáng)氣動相互作用以及該耦合流動對葉片強(qiáng)度和壽命的影響，提出了一種新的設(shè)計方法。該設(shè)計方法從氣動、結(jié)構(gòu)、壽命多個層次提出設(shè)計目標(biāo)，對軸流透平與非軸對稱排汽/氣系統(tǒng)作為一個整體進(jìn)行非定常精確設(shè)計。為了保證實際運行環(huán)境下透平和排汽/氣系統(tǒng)同時具有良好的擴(kuò)壓能力，并提高透平葉片的運行安全，設(shè)計中以提高透平氣動效率、排汽/氣系統(tǒng)壓力恢復(fù)系數(shù)，降低透平流體激振力，增大透平氣動阻尼為總設(shè)計目標(biāo)，對透平葉片排與單側(cè)徑向排汽/氣系統(tǒng)的氣動設(shè)計提出新的設(shè)計要求。具體設(shè)計要求:透平氣動效率> 90% ;排汽/氣系統(tǒng)壓力恢復(fù)系數(shù)> 0.3 ;葉片流體激振引起的振動應(yīng)力低于材料許用應(yīng)力；葉片流體激振時氣動阻尼>0。根據(jù)設(shè)計要求，一方面要求透平流場與排汽/氣系統(tǒng)內(nèi)流場相匹配，保證透平氣動效率和排汽/氣系統(tǒng)壓力恢復(fù)能力同時較好；另一方面要求在二者非軸對稱非定常耦合流場影響下，透平葉片感受到的氣動激振力較小、氣動阻尼較大。通過對軸流透平和單側(cè)徑向排汽/氣系統(tǒng)非定常精確設(shè)計，實現(xiàn)透平和排汽/氣系統(tǒng)的最佳氣動匹配，保證透平和排汽/氣系統(tǒng)同時具有良好氣動性和較高安全性。
[0021]對透平葉片與排汽/氣系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，設(shè)計中除了要求透平葉片與排汽/氣系統(tǒng)滿足總體通流設(shè)計中對各自氣動性能所提出的要求，還考慮二者之間實際存在的強(qiáng)氣動相互作用，兼顧二者流場間的相互影響或限制，以及該耦合流場對葉片強(qiáng)度和壽命的影響。依據(jù)圖2-圖6中軸流透平與單側(cè)徑向排汽/氣系統(tǒng)設(shè)計流程概括為步驟S1:獲取軸流透平和排汽/氣擴(kuò)壓器設(shè)計，構(gòu)建軸流透平出口流場數(shù)據(jù)庫的具體包括步驟:步驟Sll:對軸流透平葉片型線、積疊線和排汽/氣擴(kuò)壓器型線進(jìn)行耦合氣動設(shè)計，保證在透平與排汽/氣擴(kuò)壓器耦合流場影響下，獲得設(shè)計要求的軸流透平氣動效率、擴(kuò)壓器壓力恢復(fù)系數(shù)同時滿足設(shè)計要求；步驟S12:對軸流透平氣動效率、擴(kuò)壓器壓力恢復(fù)系數(shù)是否滿足設(shè)計要求進(jìn)行判斷，如果軸流透平氣動效率、擴(kuò)壓器壓力恢復(fù)系數(shù)滿足設(shè)計要求，即得到軸流透平和擴(kuò)壓器初步設(shè)計方案，則執(zhí)行步驟S13 ;如果軸流透平氣動效率、擴(kuò)壓器壓力恢復(fù)系數(shù)未滿足設(shè)計要求，則返回步驟Sll ;步驟S13:改變擴(kuò)壓器背壓，計算軸流透平與排汽/氣擴(kuò)壓器耦合流場，構(gòu)建不同背壓條件下的軸流透平出口流場數(shù)據(jù)庫。
[0022]步驟S2:利用軸流透平出口流場數(shù)據(jù)庫，獲取排汽/氣系統(tǒng)初步設(shè)計，利用對透平和排汽/氣系統(tǒng)的非定常耦合流場分析結(jié)果，獲得排汽/氣系統(tǒng)初步設(shè)計方案；所述獲得排汽/氣系統(tǒng)初步設(shè)計方案的具體步驟包括:步驟S21:在軸流透平出口流場數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)上，考慮軸流透平出口流場分布的影響，對單側(cè)徑向排汽/氣系統(tǒng)進(jìn)行非定常氣動設(shè)計，滿足排汽/氣系統(tǒng)壓力恢復(fù)系數(shù)、進(jìn)口壓力周向變化相對幅值和壓力非定常脈動幅值設(shè)計要求；步驟S22:對軸流透平與排汽/氣系統(tǒng)非定常耦合流場進(jìn)行分析，對軸流透平氣動效率、排汽/氣系統(tǒng)壓力恢復(fù)系數(shù)、排汽/氣入口流場周向變化相對幅值和壓力非定常脈動幅值是否滿足設(shè)計要求進(jìn)行判斷，如果軸流透平氣動效率、排汽/氣系統(tǒng)壓力恢復(fù)系數(shù)、排汽/氣入口流場周向不均勻程度和壓力非定常脈動幅值滿足設(shè)計要求，執(zhí)行步驟S23 ;如果軸流透平氣動效率、排汽/氣系統(tǒng)壓力恢復(fù)系數(shù)、排汽/氣入口流場周向變化相對幅值和壓力非定常脈動幅值未滿足設(shè)計要求，則返回步驟S21 ;步驟S23:獲得排汽/氣系統(tǒng)初步設(shè)計方案。
[0023]步驟S3