[发明专利]轴流透平与单侧径向排汽/气系统一体化气动设计方法

说明书

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。