一种轴流透平与单侧径向排汽/气系统设计方法
【技术领域】
[0001]本发明属于透平与排汽/气系统技术领域，涉及一种轴流透平与单侧径向排汽/气系统的设计方法。
【背景技术】
[0002]单侧径向排汽/气系统常用于大功率凝汽式汽轮机和舰船燃气轮机，用于将透平出口的余速动能转换为压力势能，在给定排汽/气系统出口压力情况下降低透平背压，增加透平出功，提高机组的热效率。在单侧径向排汽/气系统内部，由于透平排汽/气从近轴向转变为径向，从而在透平出口截面产生非轴对称流场，再加上排汽/气系统内部的压力脉动，使得透平背压随周向位置和时间均发生变化，透平叶片受到低频非定常气动力的作用，影响透平叶片的安全。与此同时，透平出口的流场分布也影响排汽/气系统内部流动，引起排汽/气系统扩压器流动分离，降低甚至完全丧失对透平出口余速动能的回收能力，并且还会增大排汽/气系统内部流动的非定常脉动幅值，进一步影响透平叶片运行安全。研究表明，叶片在气动力作用下会发生振动，由流体激振诱发的叶片失稳和疲劳失效是造成叶片损坏的主要因素。轴流透平与单侧径向排汽/气系统之间的强气动相互作用，对机组热效率和透平叶片运行安全都会产生重要影响，在透平与排汽/气系统气动设计阶段兼顾二者内部非定常耦合流场对各部件气动性能和运行安全方面的影响，有利于合理组织和利用二者之间的非定常耦合流场，降低透平与排汽/气系统的气动损失，减小叶片气动激振力，提高叶片气动阻尼，同时满足多部件(即透平与排汽/气系统)在多物理场(即气动、结构强度、可靠性)方面的设计要求。而现有的通流设计方法中，通常将透平与排气系统作为两个独立部件，并将各个部件的气动性能参数作为独立的设计目标，也不考虑排汽/气系统对透平叶片运行安全的影响。本发明提取影响多物理场(即气动、结构强度、可靠性)下性能的多个参数作为设计目标，对透平叶片排与排汽/气系统多部件进行同时满足气动和安全性目标的设计，与以往的设计方法相比具有明显区别。
【发明内容】
[0003](一)要解决的问题
[0004]本发明的目的是公开一种轴流透平与单侧径向排汽/气系统设计方法，充分考虑了透平与排汽/气系统之间的非定常耦合流场以及该耦合流场对叶片安全性的影响，同时满足提高透平和排汽/气系统气动性能和降低透平叶片失效的设计要求，达到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的目标，本设计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。
[0005]( 二)技术方案
[0006]为达到上述目的，本发明的一种轴流透平与单侧径向排汽/气系统设计方法，包括步骤如下:
[0007]步骤S1:获取轴流透平和排汽/气扩压器设计，构建轴流透平出口流场数据库；
[0008]步骤S2:利用轴流透平出口流场数据库，获取排汽/气系统初步设计，利用对透平和排汽/气系统的非定常耦合流场分析结果，得到排汽/气系统初步设计方案；
[0009]步骤S3:对排汽/气系统非轴对称非定常流场影响下的透平进行流固耦合分析，得到轴流透平与单侧径向排汽/气系统的流固耦合设计方案。
[0010](三)有益效果
[0011]本发明考虑到透平与排汽/气系统非定常耦合流场对二者气动性能和运行安全方面的影响，对透平和排汽/气系统两部件进行设计，满足多部件(即透平与排汽/气系统)在多物理场(即气动和结构寿命)方面的设计要求。
[0012]本发明的轴流透平与单侧径向排汽/气系统设计方法，一是既能保证透平与排汽/气系统同时具有良好的气动性能，使得在机组热力参数不变情况下，透平出功增加，提高机组热效率；二是通过合理组织透平与排汽/气系统内的非定常非轴对称耦合流场，削弱因耦合流场引发的叶片振动，减少流体激振引起失稳和失效事故的发生几率，提高机组运行安全。
【附图说明】
[0013]图1为现有的透平与排汽/气系统气动设计流程示意图；
[0014]图2为本发明的轴流透平与单侧径向排汽/气系统气动设计方法流程示意图；
[0015]图3为获取轴流透平和排汽/气扩压器设计的实施例流程图；
[0016]图4为获得排汽/气系统初步设计方案的实施例流程图；
[0017]图5为获得轴流透平与单侧径向排汽/气系统的气动设计方案的实施例流程图；
[0018]图6为本发明的轴流透平与单侧径向排汽/气系统气动设计方法具体实施例示意图。
【具体实施方式】
[0019]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
[0020]本发明的轴流透平与单侧径向排汽/气系统设计方法，基于对透平叶片排与单侧径向排汽/气系统间的强气动相互作用以及该耦合流动对叶片强度和寿命的影响，提出了一种新的设计方法。该设计方法从气动、结构、寿命多个层次提出设计目标，对轴流透平与非轴对称排汽/气系统作为一个整体进行非定常精确设计。为了保证实际运行环境下透平和排汽/气系统同时具有良好的扩压能力，并提高透平叶片的运行安全，设计中以提高透平气动效率、排汽/气系统压力恢复系数，降低透平流体激振力，增大透平气动阻尼为总设计目标，对透平叶片排与单侧径向排汽/气系统的气动设计提出新的设计要求。具体设计要求:透平气动效率> 90% ;排汽/气系统压力恢复系数> 0.3 ;叶片流体激振引起的振动应力低于材料许用应力；叶片流体激振时气动阻尼>0。根据设计要求，一方面要求透平流场与排汽/气系统内流场相匹配，保证透平气动效率和排汽/气系统压力恢复能力同时较好；另一方面要求在二者非轴对称非定常耦合流场影响下，透平叶片感受到的气动激振力较小、气动阻尼较大。通过对轴流透平和单侧径向排汽/气系统非定常精确设计，实现透平和排汽/气系统的最佳气动匹配，保证透平和排汽/气系统同时具有良好气动性和较高安全性。
[0021]对透平叶片与排汽/气系统进行设计，设计中除了要求透平叶片与排汽/气系统满足总体通流设计中对各自气动性能所提出的要求，还考虑二者之间实际存在的强气动相互作用，兼顾二者流场间的相互影响或限制，以及该耦合流场对叶片强度和寿命的影响。依据图2-图6中轴流透平与单侧径向排汽/气系统设计流程概括为步骤S1:获取轴流透平和排汽/气扩压器设计，构建轴流透平出口流场数据库的具体包括步骤:步骤Sll:对轴流透平叶片型线、积叠线和排汽/气扩压器型线进行耦合气动设计，保证在透平与排汽/气扩压器耦合流场影响下，获得设计要求的轴流透平气动效率、扩压器压力恢复系数同时满足设计要求；步骤S12:对轴流透平气动效率、扩压器压力恢复系数是否满足设计要求进行判断，如果轴流透平气动效率、扩压器压力恢复系数满足设计要求，即得到轴流透平和扩压器初步设计方案，则执行步骤S13 ;如果轴流透平气动效率、扩压器压力恢复系数未满足设计要求，则返回步骤Sll ;步骤S13:改变扩压器背压，计算轴流透平与排汽/气扩压器耦合流场，构建不同背压条件下的轴流透平出口流场数据库。
[0022]步骤S2:利用轴流透平出口流场数据库，获取排汽/气系统初步设计，利用对透平和排汽/气系统的非定常耦合流场分析结果，获得排汽/气系统初步设计方案；所述获得排汽/气系统初步设计方案的具体步骤包括:步骤S21:在轴流透平出口流场数据库基础上，考虑轴流透平出口流场分布的影响，对单侧径向排汽/气系统进行非定常气动设计，满足排汽/气系统压力恢复系数、进口压力周向变化相对幅值和压力非定常脉动幅值设计要求；步骤S22:对轴流透平与排汽/气系统非定常耦合流场进行分析，对轴流透平气动效率、排汽/气系统压力恢复系数、排汽/气入口流场周向变化相对幅值和压力非定常脉动幅值是否满足设计要求进行判断，如果轴流透平气动效率、排汽/气系统压力恢复系数、排汽/气入口流场周向不均匀程度和压力非定常脉动幅值满足设计要求，执行步骤S23 ;如果轴流透平气动效率、排汽/气系统压力恢复系数、排汽/气入口流场周向变化相对幅值和压力非定常脉动幅值未满足设计要求，则返回步骤S21 ;步骤S23:获得排汽/气系统初步设计方案。
[0023]步骤S3