非定常流动条件下中压转子冷却的气热耦合数值研究

发布时间：2020-08-03 15:18

【摘要】：火力发电机组的运行实践表明,采用超临界与超超临界机组既能降低热耗又能减少氮氧化物排放量,是实现电力生产节能减排的有效措施。发展超临界与超超临界机组急需更好的抗高温材料。由于抗566℃的高温材料12%Cr转子钢生产难度大,工艺性差,国内外厂家都认同挖掘Cr-Mo-V钢的潜力,选择该材料制造高、中压转子。为了在不改变材料情况下增强高、中压转子的耐热性能,必须对工作温度最高的中压转子采取蒸汽冷却技术。由此可见,中压转子蒸汽冷却技术是发展超临界与超超临界汽轮机的关键技术。对于在定常流动条件下的中压转子冷却,国内外同行已进行了详细的气热耦合数值模拟研究。但是,在汽轮机的实际流动中,由于动叶高速旋转使得动静叶的相对位置发生周期变化,导致主蒸汽与冷却蒸汽参数随时间波动,从而引起相同冷却条件下被冷却部件的温度场、流场与定常流动的有显著差别。评估主蒸汽与冷却蒸汽的非定常流动对被冷却的中压第一级特别是动叶温度场、流场的影响,为在设计冷却装置时预先考虑由非定常流动特性可能引发的问题提供参考。本文在国产600MW超超临界汽轮机中,采用三菱的蒸汽冷却结构,实施对中压转子的冷却。为了评价该冷却结构的冷却效果以及冷却蒸汽的引入对主流流动性能的影响,本文应用商业软件ANSYS CFX,对采用中压转子冷却的中压第一级进行了定常与非定常气热耦合数值研究。研究结果表明,在冷却蒸汽进口条件不变的情况下,静、动叶相对位置随时间的周期变化,引起冷汽流量随时间周期变化,因此动叶叶根的温度场也随时间发生相应的周期变化。主蒸汽流动的非定常性对中压第一级流场与温度场的影响可忽略不计。有冷却与无冷却比较,在一个周期内温度波动幅度要大十倍左右,这需要在设计冷却装置时考虑,预先采取安全措施。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM621
【图文】：

反动式汽轮机,中压转子,冷却结构,双流

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第三级静、动叶之间，其进入途径是第一级动叶枞树形叶根底部间隙。对于蒸汽冷却结构，其对于第一级与第二级动叶的叶根（枞树形）底部用于冷却汽通道的面积、转子与冷却蒸汽的出口汽封间的间隙和位于第二、三级静叶侧的汽封间隙有要求，要合理对这些参数进行设计，因冷却结构的冷却效果些参数的影响很大。

中压转子,冲动式汽轮机,冷却结构,双流

图 1-1 反动式汽轮机双流中压转子的冷却结构是如图 1-2 所示[9]中压转子是冲动式汽轮机的双流中压转子，对冷却结构的设计为，在中压级汽轮机的位于前两级的动叶叶根（隙、隔板汽封、叶轮的冷却孔和前级叶轮前后轮面中，通入从高来的冷却蒸汽，对高温部件进行冷却。

挡热板,反动式汽轮机,中压转子,双流

涡流冷却挡板设置于进汽部分的第一级静叶的内径处，降低了进汽区的工作温度，其结构如图1-3 所示[10]所示，这样设计的中压转子第一级反动度相比于普通的反动级要小，从而使得蒸汽在流经第一级静叶时温度下降得更多。蒸汽从静叶出口流出时，要先通过挡热板再向转子流去，挡热板上的供蒸汽流过的流道是四个切向孔，流过这四个切向孔流向转子，在这一过程中蒸汽膨胀，转子表面的温度在这一吸热过程中得到降低，从而实现冷却。由于蒸汽挡热板于转子间存在摩擦，所以要考虑这一部分热量的影响，在去除这部分影响后，双流第一级动叶间的中压转子的表面温度降低约 15℃。华能玉环电厂 1000Mw 超超临界汽轮机的中压转子就采用了这种冷却结构[11]。图 1-3 反动式汽轮机双流中压转子的涡流冷却挡热板结构1.3 非定常计算方法在叶轮机械中的应用多级透平机械在真实的非定常流动中有两类非定常性，即非确定性的小尺度的非定常性和确定性的大尺度的非定常性，前者来源于湍流，后者常伴随着从一

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