非线性动态特性系数对汽轮机转子-轴承-密封系统运动特性的影响

为准确地反应汽流激振下汽轮机转子-轴承-密封系统的运动特性,推导了包含非线性动态特性(非线性刚度、阻尼)的转子运动微分方程,将数值模拟获得的非线性汽流激振力拟合成方程耦合到运动方程中,采用龙格-库塔法求解对应的运动方程,基于试验对比验证了考察非线性因素的必要性与运动微分方程的准确性。在此基础上,分析汽流激振力作用下不同非线性动态特性系数对转子运动特性与稳定性的影响。结果表明:系统中的非线性动态特性会改变转子不同类型的混沌运动区域与位移,使1/2、1/3、2/3工频的出现范围及幅值改变,密频现象增加;耦合热、动载荷后高负荷区域转子位移减小。对比Lyapunov指数,考虑非线性动态特性后其均值有所上升;合理的非线性刚度能够改善系统的稳定性,高非线性阻尼值能提高系统稳定性;耦合热、动载荷后的系统高负荷运行时更稳定。

超临界二氧化碳涡轮转子非线性涡动的密封动力特性

超临界二氧化碳涡轮密封具有较强的气动特性和转子非线性运动特征,为探究密封气动作用对转子运动的影响,该文通过Fluent用户自定义函数和四阶Runge-Kutta构建转子-密封的非线性涡动模型,实现转子非线性动力学与密封流场的联合求解,得到转子受密封气流激振力作用下自由涡动的动力特性,揭示密封气流激振对转子失稳的作用过程。结果表明:不平衡质量力和转子弹性恢复力会使得转子运动呈现弧状的螺旋运动。密封的气体动压作用导致发生转子横向偏移。密封气流激振力呈现带状分布,在工作转速形成明显的振幅,动力系数波动幅度较大。不平衡质量力和气流激振力使得密封有效阻尼较低,更容易发生运动失稳。

超超临界汽轮机密封非线性汽流激振力影响的转子运动特性

密封汽流激振作用常诱导转子非线性运动失稳。建立某1 000 MW汽轮机高压缸隔板密封模型,通过动网格技术和多频涡动模型得到非线性密封汽流激振力拟合模型。基于转子动力学建立包含非线性油膜力的转子-轴承-密封系统运动耦合模型,分析非线性密封汽流激振力对系统运动特性的影响。研究表明:非线性密封激振力的拟合模型具有较好的计算精度,且更贴近实际情况;汽轮机在冲转升速过程中,以转子的不平衡响应以及非线性油膜力诱发系统失稳为主。对于不同压比工况,额定转速运行后,当负荷一定时,压比越大,汽流激振现象越明显。随着负荷升高,汽流激振的影响显著增强,也加剧了压比对汽流激振的影响程度,使得密封汽流激振的影响增加,导致系统严重失稳。

超超临界汽轮机转子涡动对密封动力特性的影响

超超临界机组密封动力特性受转子运动影响显著,极易诱发转子失稳。以某1000MW汽轮机超高压缸迷宫密封为例建立密封转子三维模型,采用改进的涡动方程和动网格技术实现微间隙转子多频涡动,分析了不同涡动半径对密封动力特性的影响。结果表明:随着涡动半径增加,直接刚度增大,有效阻尼增大。直接阻尼随频率增加先减小至不变。低频范围内,较大涡动半径下的有效阻尼较显著低,转子容易发生失稳。

超超临界汽轮机补汽结构流动特性与损失分布

针对超超临界汽轮机补汽装置内复杂流动和效率低下的问题,采用计算流体力学软件CFX建立高压缸两级补汽流动模型,分析补汽装置的性能与损失。对比4种补汽结构内流场的流动特性、气动特性以及流动损失分布,揭示补汽结构流动特性和损失机理,得到性能较好的补汽结构。结果表明:补汽过程中腔室内始终存在位置、大小不同的涡流。中间进汽弯小管的压力分布较为均匀,总压损失较小,腔室内的粘性损失也最小。侧边进汽弯小管的管内粘性损失最小,中间进汽弯小管的管内粘性损失小于中间进汽直小管。中间进汽弯小管的流动效率较好,补汽结构的总体损失较小。

基于熔盐储热的燃气-蒸汽联合循环机组灵活运行策略

为提高燃气-蒸汽联合循环机组运行的灵活性,提出一种熔盐储热耦合燃气-蒸汽联合循环机组运行的方式,并给出了灵活运行策略。结果表明,这种运行方式可以有效提高燃气能源利用率,并且可以根据终端用能情况进行灵活调整。在保证燃机高效运行的基础上,可以充分利用启动、变负荷、停机过程中的燃机乏气余热进行储热,可操作性强。以终端供热情况为例,计算了耦合熔盐储热和未耦合熔盐储热时联合机组的经济收益,发现耦合熔盐储热时机组的运行收益是原来的11.8倍。提出的运行方式为高效灵活的燃气-蒸汽联合循环机组运行提供了一种研究思路。

耦合热、动载荷的汽流激振对汽轮机转子稳定性的影响

为揭示热、动载荷对汽轮机转子稳定性的影响,利用集总参数法建立的超超临界汽轮机高压缸转子各向异性支承模型,并将数值模拟获得的耦合前后的汽流激振力施加到对应的结点上,通过Riccati传递矩阵法求解并分析耦合热、动载荷对转子稳定性的影响,结果表明:耦合前后的固有转速都随着负荷的增加,一阶增加,二阶减小,且变化不大,但对比来看耦合后的固有转速明显低于耦合前的;随着负荷的增加,一阶振幅的变化幅度减小;在较高负荷时热、动载荷可以提高一阶对数衰减率,但也存在着转子失稳风险。

汽轮机转子动力特性的多因素分析及稳定性预测

针对汽流激振对汽轮机转子动力特性和稳定性的影响,文中应用动网格建立三维转子涡动模型,通过正交试验完成汽流激振下转子动力特性的多因素分析,得到影响动力系数的显著因素。利用频率涡动比和有效阻尼研究了显著因素对转子稳定性的影响规律。结果表明：涡动转子表面压力波动剧烈,汽流激振力呈非线性变化;涡动速度、自转速度、涡动半径、压比以及交互作用对转子动力特性均有一定的影响,其中涡动半径、涡动速度和压比对转子动力系数有较大的影响,而自转速度的影响较小;当涡动速度在1500~3000r/min之间,转子失稳的可能性增加。若涡动半径增加,控制涡动速度会抑制大幅低周涡动,可避免转子失稳。

汽轮机排汽通道气动性能优化及凝汽器换热特性分析

针对汽轮机排汽通道气动特性严重影响凝汽器工作性能的问题,对某600MW机组的排汽通道加装导流板,实现气动性能优化。将优化后的喉部出口流场与凝汽器耦合,采用多孔介质模型和UDF冷凝程序对凝汽器内部流场及换热特性进行模拟和分析。研究改造前后喉部出口的流场特性及凝汽器内工质速度、换热系数和冷却水温等参数的分布情况。结果表明：改造后的排汽通道气动性能有明显改善,静压恢复能力有较大的提高。蒸汽在凝汽器内的负荷分布更为合理,提高了管束区冷凝面积的利用率。各汽室的换热系数、冷却水温、冷凝速率和端差均有明显改善。在机组的不同负荷下,真空可提高0.06-0.09kPa。

热电厂配置调峰电锅炉最佳容量确定方法

热电联产机组配置电锅炉进行热电解耦以促进风电等新能源的并网。为了确定热电联产机组参与电网调峰时电锅炉的最佳配置容量,引入特征日的概念,对电锅炉运行时的约束进行说明,分别以机组调峰增量和经济净现值为目标函数,建立电锅炉最佳容量的计算模型。结果表明,对于330 MW机组,当不考虑投资成本时,电锅炉的供热功率达到52 MW时,机组可以获得最大的调峰增量,此时,电锅炉的电加热功率为178.28 MW;若考虑投资成本,当电锅炉的供热功率达到49 MW时,即电锅炉的电加热功率为168 MW时,可以得到最大的经济净现值。

密封结构对汽轮机转子动力特性的影响分析

针对汽轮机汽流激振诱发转子失稳问题,利用动网格技术实现转子多频涡动,对不同密封结构的转子动力特性及稳定性进行研究。基于正交试验法分析了多结构参数对转子稳定的影响程度。结果表明:密封齿数、凸台数量和密封齿长均影响动力系数在频域上的变化规律。随着密封齿数的增多,直接刚度kxx增大而直接阻尼cxx减小。随凸台数量和密封齿长的增加,直接刚度kxx和kyy减小,而直接阻尼cxx随凸台数量的增加而增加。涡动频率高于45Hz时,密封齿数对转子的稳定性影响降低。密封齿数对平均有效阻尼影响较小,在低频范围内影响较大。密封凸台数量、密封齿长度和二者交互作用对转子稳定裕度影响较大,三者的贡献率分别为31.53%、21.51%和23.48%。减少齿数或添加凸台有利于汽轮机转子稳定。

基于二次回归正交试验的迷宫密封优化设计

基于二次回归正交试验,结合数值模拟方法,研究各结构参数及其共同作用对迷宫密封泄漏量的影响,并建立可靠且不失拟的回归方程对迷宫密封的结构参数进行优化。正交试验结果表明:汽封腔深、凸台高度、汽封齿厚和齿顶间隙对泄漏量均有较大的影响,其中齿顶间隙对泄漏量的影响最为显著;四者之间的交互项对泄漏量也有一定的影响且存在着使泄漏量最小的最佳结构参数。通过检验,回归方程具有较好的显著性和不失拟性。通过对优化前、后迷宫密封内流场特性的分析可知:优化后的迷宫密封齿顶熵增升高、能量耗散大、腔室内平均速度低、惯性作用弱,从而具有更好的阻漏作用。

汽轮机动叶栅内泄漏流动特性及损失分布

针对汽轮机间隙蒸汽泄漏的注入对动叶栅气动性能和损失的影响,以带有叶顶和静叶环汽封的某汽轮机高压级模型为例,分析不同汽封齿顶间隙下汽轮机动叶栅内泄漏蒸汽与主蒸汽的掺混作用、高损失区域体熵增率的变化规律和对轴功率和级效率的影响。结果表明:泄漏蒸汽的影响区域主要集中在叶片的吸力面附近,且泄漏蒸汽流经动叶通道时,其影响范围不断向叶中扩展。高损失区域沿径向集中在上、下叶端附近;沿轴向集中在动叶吸力面中部和叶片前缘处。随蒸汽泄漏量增加,高损区损失量越大,在叶片径向和轴向上的影响范围越大。在齿顶间隙增加时,由叶顶和静叶环漏汽分别导致的动叶栅高损失区的变化趋势相反。汽封齿顶间隙扩大至设计尺寸2倍,级功率下降约1.06%,级效率下降约1.49%。

耦合喷水的旁路减温减压阀性能分析及优化

基于Euler-Lagrange两相流动模型,分析喷水减温时阀内的涡流特性与减温减压效果,针对涡流导致的汽液混合不均问题,在喉部加装旋流板以改善两相流动特性,提升了减温减压效果。结果表明:减温减压阀喉部会产生向上的射流,形成较大的涡流区。液滴在涡流区与蒸汽混合较差,减温效果降低。优化后的减温减压阀喉部旋流板形成的周向旋流可消除轴向涡流,促进汽液混合。加装旋流板后,温度均匀性系数提升20%,液滴蒸发速度加快,减温效果大大提升,在变工况时仍有较好的效果。应力分析表明加装旋流板后管道最大应力与出口应力减小,安全性较好。

汽流激振力诱导汽轮机转子的非线性运动特征

非线性汽流激振力严重影响转子运动,通过实验与数值模拟方法对带有叶片的超超临界机组高压转子的三维流场进行计算,根据流场压力积分得到非线性汽流激振力,并拟合成方程以弥补传统公式的不足。将汽流激振力的拟合方程带入转子-轴承运动系统,得到非线性汽流激振力作用下汽轮机转子的非线性运动特征,分析了转子运动的分岔和混沌特性。结果表明:基于流场计算所得到的非线性汽流激振力方程具有较高的准确性。非线性汽流激振力可导致转子涡动中心偏移,由周期运动变为混沌运动。转子运动的混沌区域随负荷的增加呈现"增加-减小-增加"的变化趋势。振动频率出现1/2转速频率、一阶临界转速频率(约为2/3分频)以及1/2转速以下的连续低频。随着机组负荷的增加,转子运动的混沌区域变宽,转子运动的稳定性降低。

小流量工况下汽轮机末级的湿蒸汽凝结研究

在火电机组深度调峰过程中,汽轮机常工作在小流量工况,低压缸末级内湿蒸汽的凝结及分布规律也非常复杂。将两相流体模型和经修正的均质成核模型及液滴生长模型相结合,对小流量工况下末级湿蒸汽凝结规律进行研究。结果表明:湿蒸汽成核率的分布受压力场的影响较大,且与压力场的分布趋势相近。不同截面液滴数及粒径的分布受到涡的影响也较为突出,液滴主要分布于动叶压力面侧及动叶片尾缘下游,这与该处的流线涡位置相吻合,并且在液滴数越多的位置液滴粒径也越大。

小流量工况下汽轮机末级的脱流特性研究

利用CFX软件对小流量下汽轮机低压缸末级叶片的脱流特性进行研究。结果表明:在额定背压、G1/G0=0.3工况下,动静叶间隙开始形成脱流涡。随着流量的减小,脱流涡沿叶高向叶根方向发展。当G1/G0=0.08时,脱流涡几乎占据整个叶高,涡核由72.7%相对叶高迁移到49.1%,严重恶化末级流场,威胁叶片安全。

汽轮机旁路供热系统的减温减压器安全性分析

针对汽轮机高旁供热下减温减压器安全性问题,建立减温减压器CFX-Static structural流固耦合模型,采用凝结-蒸发多相介质模型实现喷水减温,从流场和结构力学两方面对减温减压器的安全性进行研究。结果表明:减温减压器通过节流扩压可实现大压降降压过程。由于蒸汽的旋涡运动,减温减压器内会出现高低温区的不均匀分布,进而影响阀体的形变量;减温减压器入口、支撑环、一级节流孔板以及下半部底座形变量较大。阀体凹槽、支撑环内侧以及一级节流孔板中部应力集中较强。

汽轮机低压缸旁路供热的电出力调节能力分析

为了分析低压缸旁路供热对热电联产机组电出力调节能力的影响,建立了热电联产机组热力系统计算模型和电出力调节能力数学模型,并将计算结果与几种典型热电解耦方案进行比较。结果表明,热电联产机组进行低压缸旁路供热改造后,最大供热能力提升了69.88%,额定供热工况下机组的电出力调节能力提升了42.42%。同一供热负荷下,低压缸旁路供热方案的电出力调节能力高于蓄热罐和电锅炉方案,低于高低压旁路供热方案,但是低压缸旁路供热方案投资成本低、系统简单,不仅可以实现能量梯级利用甚至可以不产生冷源损失,具有更高的实际应用价值。

超低负荷工况下大功率汽轮机低压缸内温度场分布特性研究

超低负荷下,汽轮机低压缸内的温度分布情况直接影响汽轮机的安全运行。为了更加清晰地分析蒸汽在低压缸内的温度分布特性,采用非平衡凝结流动模型、SST k-ω湍流模型对某300MW汽轮机极低负荷工况下的低压缸流场进行数值模拟,分析了整个低压缸内蒸汽流动特性、做功能力、温度分布以及近零功率时冷却蒸汽参数变化对温度场的影响。结果表明:汽轮机在30%机组热耗验收工况(turbine heat acceptance,THA)时,末级动叶根部出现了回流。在20%THA左右时,末级已经出现了鼓风现象,动静叶顶部出现漩涡,温度明显上升,且此时末级做功为负功率输出。在近零工况下时,低压缸排汽温度与冷却蒸汽流量和冷却蒸汽温度呈线性变化趋势,与冷却蒸汽流量负相关,与冷却蒸汽温度正相关,因此需设置合理的冷却蒸汽流量和温度来控制末两级叶片的出口温度。研究成果可为超低负荷工况下汽轮机的运行提供参考。