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《汽轮机通流部分三元流动特性分析》可供从事火力发电厂能源管理、汽轮机运行管理、汽轮机节能理论研究以及相关领域的技术人员参考，也可作为大专院校能源、动力类专业的教材或教学参考书。9787030436986
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| 內容簡介： |
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《汽轮机通流部分三元流动特性分析》重点论述了对汽轮机通流部分三元流动特性的研究。《汽轮机通流部分三元流动特性分析》系统阐述了汽轮机通流部分三元流动特性的分析方法及应用。首先，介绍汽轮机通流部分汽封泄漏量的理论计算方法和通流部分三元流动特性分析的基本方法；其次，介绍汽轮机通流部分径向间隙内流动特性分析和排汽通道内流动特性分析。《汽轮机通流部分三元流动特性分析》融入了大量作者从事汽轮机通流部分流动特性研究的一些观点和体会，注重理论与实际应用相结合，便于读者阅读。
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| 目錄：
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前言
第1章绪论1
1.1汽轮机热经济性影响因素及节能潜力分析1
1.1.1汽轮机热经济性影响因素分析1
1.1.2汽轮机的节能潜力分析5
1.2汽轮机通流部分流动特性分析的必要性10
1.3汽轮机通流部分流动特性的研究现状与存在的问题12
1.3.1汽轮机通流部分径向间隙内流动特性的研究现状12
1.3.2汽轮机排汽通道内流动特性的研究现状13
1.3.3存在的问题13
参考文献14
第2章汽轮机通流部分泄漏量理论计算方法17
2.1隔板汽封泄漏量计算方法比较17
2.1.1隔板泄漏量的计算方法分析17
2.1.2隔板泄漏量的计算方法比较22
2.2带有侧齿的曲径汽封泄漏量计算方法24
2.2.1带有侧齿的曲径汽封简介24
2.2.2侧齿轴封泄漏量的计算方法24
2.2.3计算结果对比27
2.3汽轮机泄漏损失的计算分析28
2.3.1汽轮机级内损失及其计算方法28
2.3.2汽轮机级内损失的分布及泄漏损失分析38
2.4本章小结40
参考文献40
第3章汽轮机通流部分三元湍流流动的计算方法42
3.1计算流体力学简介42
3.2控制方程43
3.3三元湍流数值计算方法43
3.3.1直接数值模拟43
3.3.2雷诺平均统计模式44
3.3.3湍流大涡数值模拟44
3.4黏性湍流模型45
3.4.1标准k-ε模型45
3.4.2RNGk-ε模型45
3.4.3标准k-ω模型46
3.4.4k-ωSST模型46
3.5湿蒸汽流动方程46
3.6相变模型48
3.7网格生成技术49
3.7.1结构化网格49
3.7.2分块网格49
3.7.3非结构化网格50
3.8边界条件50
3.8.1流体进口边界条件50
3.8.2流体出口边界条件51
3.8.3壁面边界条件51
3.8.4对称边界条件51
3.8.5周期性边界条件51
3.8.6动静交界面边界条件51
3.9本章小结52
参考文献52
第4章汽轮机迷宫汽封内部流动特性的分析54
4.1迷宫密封介绍54
4.1.1迷宫密封简介54
4.1.2迷宫密封封严机理55
4.2几何模型及求解模型55
4.2.1几何建模及网格划分55
4.2.2基本控制方程及湍流模型56
4.2.3流体物性及边界条件57
4.2.4模型准确性验证57
4.3动静态下压比对汽封性能的影响分析59
4.3.1同一压比下转速对流场的影响分析59
4.3.2不同压比下转速对泄漏量的影响分析63
4.4动静态下汽封间隙对汽封性能的影响分析64
4.4.1汽封间隙对流场的影响分析64
4.4.2汽封间隙对泄漏量的影响分析69
4.5动静态下汽封齿数对汽封性能的影响分析70
4.5.1静态下齿数及布置对汽封性能的影响分析70
4.5.2动态下齿数及布置对汽封性能的影响分析77
4.6凹槽迷宫密封封严特性的数值研究80
4.6.1间隙对凹槽迷宫密封封严特性的影响80
4.6.2压比对凹槽迷宫密封封严特性的影响81
4.6.3转速对凹槽迷宫密封封严特性的影响83
4.7本章小结85
参考文献85
第5章汽轮机蜂窝密封内部流动特性的分析87
5.1蜂窝密封介绍87
5.1.1蜂窝密封简介87
5.1.2蜂窝密封封严机理89
5.2计算模型和数值模拟方法90
5.2.1几何模型90
5.2.2网格生成91
5.2.3流体物性及边界条件92
5.3数值计算结果验证92
5.4密封流场结构分析94
5.4.1迷宫密封流场结构分析94
5.4.2蜂窝密封流场结构分析95
5.5蜂窝密封和迷宫密封封严性能对比研究98
5.5.1蜂窝密封和迷宫密封泄漏量比较98
5.5.2间隙对蜂窝密封和迷宫密封封严性能的影响99
5.5.3转速对蜂窝密封和迷宫密封封严性能的影响101
5.6蜂窝密封流动特性影响因素的研究105
5.6.1蜂窝密封工况变化对流动特性的影响105
5.6.2蜂窝密封结构参数对流动特性的影响108
5.7本章小结112
参考文献113
第6章汽轮机叶顶间隙内流动特性的分析114
6.1物理模型的建立和网格划分114
6.1.1计算用叶片的几何尺寸114
6.1.2计算用叶栅通道几何模型115
6.1.3网格划分115
6.2汽轮机无围带叶顶间隙定常流动特性分析116
6.2.1计算方法和边界条件116
6.2.2动叶顶部流动的分析116
6.2.3叶顶间隙区域轴向截面的流动特性分析120
6.2.4动叶吸力面处的极限流线和压力分布分析125
6.2.5动叶出口截面总压损失系数分布分析127
6.2.6动叶出口截面湍动能分析130
6.2.7不同叶高位置下的压力系数分析130
6.3汽轮机有围带叶顶间隙定常流动特性分析131
6.3.1加装围带的叶顶泄漏流动分析132
6.3.2加装叶顶汽封的间隙泄漏流动分析136
6.4汽轮机无围带叶顶间隙内非定常流动特性分析139
6.4.1前处理、计算收敛准则和时间139
6.4.2叶顶间隙大小为1mm时模拟结果与分析141
6.4.3不同间隙大小时的模拟结果与分析146
6.5汽轮机有围带叶顶间隙内非定常流动特性分析148
6.5.1有围带叶栅通道非定常流动特性分析148
6.5.2有围带叶顶间隙内非定常流动特性分析150
6.5.3非定常流动对动叶出口处流动特性的影响152
6.6本章小结154
参考文献155
第7章汽轮机叶顶间隙内泄漏流动特性的大涡模拟157
7.1大涡模拟的数值模拟方法157
7.1.1大涡模拟概述157
7.1.2过滤方程157
7.1.3大涡模拟的亚网格应力模型158
7.2汽轮机无围带叶顶间隙泄漏流的大涡数值模拟160
7.2.1计算方法和网格160
7.2.2叶顶间隙为1mm时模拟结果161
7.2.3不同叶顶间隙下泄漏流的流场特征170
7.3汽轮机有围带叶顶间隙泄漏流的大涡数值模拟185
7.3.1计算方法185
7.3.2叶顶间隙为1mm时泄漏流的流场特征186
7.3.3叶顶间隙为2mm时泄漏流的流场特征197
7.4本章小结207
参考文献208
第8章汽轮机排汽通道内流动特性的数值分析209
8.1凝汽器喉部内流动特性的研究209
8.1.1内置式加热器对凝汽器喉部流动特性的影响210
8.1.2小汽轮机排汽对凝汽器喉部流动特性的影响212
8.1.3湿蒸汽流动对无小汽轮机排汽的凝汽器喉部流动特性的影响218
8.1.4湿蒸汽流动对有小汽轮机排汽的凝汽器喉部流动特性的影响223
8.2汽轮机排汽缸内流动特性的研究228
8.2.1未考虑蒸汽湿度的排汽缸内流动特性的研究229
8.2.2湿蒸汽凝结对排汽缸内流动特性的影响237
8.3汽轮机排汽通道内流动特性的研究244
8.3.1未考虑蒸汽湿度的排汽通道内流动特性的研究244
8.3.2湿蒸汽流动对排汽通道流动特性的影响248
8.4汽轮机排汽通道内加装导流装置的研究258
8.4.1300MW汽轮机排汽通道加装导流装置的研究258
8.4.2600MW汽轮机排汽通道加装导流装置的研究269
8.5本章小结275
参考文献276
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| 內容試閱：
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第1章绪论
1.1汽轮机热经济性影响因素及节能潜力分析
随着经济建设的快速发展，资源和能源的短缺日益明显，节能已成为全世界关注的问题。我国是以火力发电厂为主体的电力生产、供应国，发电厂既是能源生产大户，也是能源消耗大户。每年全国大大小小的火电厂耗煤量占到全国煤炭流通总量的60%以上。截至2013年年底，全国发电总装机容量突破12亿千瓦，达到12.47亿千瓦，超过美国，居世界第一。到“十二五”末我国规划发电总装机容量将突破14.63亿千瓦。在火力发电厂和核电厂中，这些电能是由汽轮机带动发电机所产生的。汽轮机是将热能转化为机械能的设备，作为电力生产的核心，提高大型汽轮机组的热效率不仅可以充分利用有限能源，提高经济效益，还可以减少污染物质的排放，保护人类赖以生存的环境。因此，提高汽轮机效率的相关研究具有极其深远的意义。另外，随着我国经济的发展，社会对电力能源的需求也不断增加，大容量机组不断投入运行，提高机组运行的经济性也受到越来越多研究者的重视。如何实现节能，如何根据我国电厂的实际情况找到机组经济运行方面、管理方面、设备缺陷方面的主要能损根源，即对机组进行安全性、经济性分析，将成为一个非常有实际意义和价值的课题。
1.1.1汽轮机热经济性影响因素分析
衡量汽轮机整体运行经济情况好坏的指标是热耗率。所谓热耗率偏高，是指汽轮机实际运行的热耗率值高于其相应的应达值。汽轮机热耗率高于其相应应达值的原因主要是汽轮机初、终参数和再热蒸汽参数偏离其应达值，汽轮机通流部分状态如间隙、叶片表面光洁度等偏离其设计状态以及汽轮机回热系统状态偏离应达值［1］。当这些参数偏离设计值或应达值时，使理想循环热效率和汽轮机相对内效率偏离应达值，从而影响汽轮机的热耗率［2］。下面，从这四个方面来分析汽轮机热经济性的影响因素。
1. 汽轮机初参数及再热蒸汽参数在设计工况下，汽轮机在某一设计的初参数及再热蒸汽参数下运行。为了保持汽轮机热耗率达到设计值，汽轮机初参数及再热蒸汽参数应该保持在设计值。运行中，当这些参数降低时，汽轮机偏离其设计工况，必然导致汽轮机热耗率增大。
1） 主蒸汽温度从热力学的角度看，提高初参数，有利于提高系统的理想循环热效率。运行中，主蒸汽温度降低时，必然导致蒸汽动力循环吸热过程的平均吸热温度降低，引起理想循环热效率降低。同时，当主蒸汽温度在正常范围内降低时，对中间再热汽轮机相对内效率的影响较小。因此，主蒸汽温度降低对汽轮机热耗率的影响，主要是通过引起理想循环热效率降低体现出来的。对于300MW汽轮机，其主蒸汽温度降低1℃，汽轮机热耗率约增大0.024%，发电标准煤耗率增大0.07g（kW h），按每年满负荷运行6000h计算，全年多消耗标准煤127.1t。
2） 主蒸汽压力运行中，主蒸汽压力降低时，也会导致蒸汽动力循环吸热过程的平均吸热温度降低，引起理想循环热效率降低。同时，当主蒸汽压力在正常范围内降低时，若保持调节汽门开度不变，则除了少数低压级，大多数级内蒸汽的理想焓降基本不变，故汽轮机相对内效率变化较小。若保持汽轮机电功率不变，则主蒸汽压力降低，汽轮机调节汽门开度增大，节流损失减小，汽轮机相对内效率略有增大。因此，主蒸汽压力降低对汽轮机热耗率的影响，也主要是通过引起理想循环热效率降低体现出来的。对于300MW汽轮机，其主蒸汽压力降低0.1MPa，汽轮机热耗率约增大0.045%，发电标准煤耗率增大0.13g（kW h），按每年满负荷运行6000h计算，全年多消耗标准煤238.3t。
3） 再热蒸汽温度汽轮机运行过程中，当再热蒸汽温度降低时，也导致蒸汽动力循环吸热过程的平均吸热温度降低，引起理想循环热效率降低。同时，当再热蒸汽温度降低时，导致汽轮机排汽湿度增大，汽轮机中低压缸的相对内效率降低。因此，再热蒸汽温度降低对汽轮机热耗率的影响，是通过引起理想循环热效率和汽轮机相对内效率降低综合体现出来的。对于300MW汽轮机，其再热蒸汽温度降低1℃，汽轮机热耗率约增大0.022%，发电标准煤耗率增大0.065g（kW h），按每年满负荷运行6000h计算，全年多消耗标准煤116.5t。
4） 再热蒸汽压损汽轮机运行过程中，当蒸汽在再热器内的流动阻力增大时，在高压缸排汽压力一定的条件下，引起再热蒸汽压力降低。也导致蒸汽动力循环吸热过程的平均吸热温度降低，引起理想循环热效率降低。同时，当再热蒸汽压力降低时，导致汽轮机排汽湿度减小，汽轮机相对内效率略有提高。因此，再热蒸汽压损增大对汽轮机热耗率的影响，也主要是通过引起理想循环热效率体现出来的。对于300MW汽轮机，其再热蒸汽压损每增大0.1%，汽轮机热耗率约增大0.009%，发电标准煤耗率增大0.026g（kW h），按每年满负荷运行6000h计算，全年多消耗标准煤47.7t。
2. 汽轮机排汽压力汽轮机排汽压力由汽轮机排汽量、凝汽器冷却水流量、冷却水温度、凝汽器和抽气设备的运行状态共同决定。在设计工况下，汽轮机均在某一设计的排汽压力下运行。为了保持汽轮机热耗率达到设计值，汽轮机排汽压力应该保持在设计值。运行中，当汽轮机排汽压力升高时，汽轮机运行偏离其设计工况，必然导致汽轮机热耗率增大。当汽轮机排汽压力升高时，蒸汽动力循环放热过程的平均温度升高，理想循环热效率降低。同时，随着汽轮机排汽压力的升高，汽轮机排汽湿度减小，湿汽损失减小。而且，随着汽轮机排汽压力的升高，汽轮机排汽容积流量减少，排汽余速损失也会减小，使汽轮机相对内效率提高。因此，汽轮机排汽压力升高对热耗率的影响，是通过使理想循环热效率降低和汽轮机相对内效率提高二者综合作用体现出来的。一般地，当汽轮机排汽压力由设计值升高时，理想循环热效率的相对降低值总是大于相对内效率的相对提高值，因此，导致汽轮机热耗率增大。对于300MW汽轮机，在其排汽流量为设计值的条件下，排汽压力升高0.1kPa，汽轮机热耗率升高约1.7%，发电标准煤耗率增大5.0g（kW h），按每年满负荷运行6000h计算，全年多消耗标准煤9002.7t。
3. 汽轮机通流部分1） 汽轮机通流部分结垢随着火电机组单机功率逐渐提高，火电机组中超临界参数机组的比例也在逐渐增大。机组初参数提高，对于提高火力发电厂的循环热效率具有重要的作用。但同时也发现，随着火电机组向高参数大容量方向发展，尤其是大容量直流锅炉以及超（超）临界机组的投入运行，对锅炉给水品质提出了更高的要求。由于直流锅炉没有汽包，不能够采用常规的汽水分离、蒸汽清洗等锅内净化措施来控制蒸汽品质。同时，超（超）临界机组由于蒸汽压力的提高，盐类在蒸汽中的溶解度增大，进一步增加了锅炉除盐的难度，导致蒸汽含盐是不可避免的［3～5］。当含盐蒸汽进入汽轮机做功后，随着蒸汽压力的降低，蒸汽溶盐能力降低，蒸汽中所溶的盐被析出，沉积在汽轮机叶栅上，造成叶片表面光洁度变差、蒸汽流道形状改变，影响叶片的气动特性，使汽轮机相对内效率降低，带来严重的经济损失。例如，某汽轮机由于其叶栅表面盐沉积严重，造成汽轮机电功率降低20%。而且，积盐厚度每增加0.1mm，将使汽轮机级效率降低3%～4%［2］。对于某400MW汽轮机，由于汽轮机叶栅盐沉积，第一个月就会使汽轮机电功率降低5%，六个月就可以使汽轮机电功率降低10%［5］。同时，盐沉积在叶片上，还会造成汽轮机叶片自振频率的改变、轴向推力增大。此外，某些具有侵蚀性的积垢对叶片的耐高温性能会产生很大影响，影响汽轮机的安全性。由于汽轮机叶栅表面盐沉积机理的复杂性，人们对叶栅表面盐沉积的机理认识得还不够深入，从而不能很好地对汽轮机运行过程中盐沉积的处理进行指导。目前，汽轮机叶栅表面盐沉积的处理方法主要是采用停机揭缸对叶片进行打磨、喷砂等方法。但该方法又对叶栅表面造成了一定的损伤。实现对汽轮机通流部分结垢的早期诊断并及时处理，对于提高汽轮机的运行经济性具有重要的意义。
2） 汽轮机通流部分间隙增大汽轮机是一种大型高速转动机械，汽轮机通流部分间隙对汽轮机相对内效率及发电量均产生较大的影响。为了提高汽轮机的运行效率，汽轮机通流部分的设计间隙一般都比较小，通常在0.5mm左右。但是，随着电网峰谷差的逐渐增大，大容量汽轮机也要参与调峰运行，汽轮机产生的电功率要随着电网对负荷需求的变化而变化。汽轮机频繁启停或频繁变负荷，往往由于气缸和转子的膨胀程度不同而造成汽轮机转动部件和静止部件发生碰摩，使汽封损坏，从而造成汽轮机通流部分的间隙增大，影响汽轮机的电功率和效率，最终影响电厂运行经济性。目前，国产300MW、600MW汽轮机普遍存在通流部分间隙增大的现象，严重影响汽轮机和火电厂的经济运行。但是，由于目前尚无较成熟的汽轮机通流部分间隙变化的监测方法，汽轮机通流部分间隙的变化往往只有在检修过程中根据动、静部件之间有明显的擦伤痕迹才能发现，导致汽轮机长期低效率运行。通过检修发现，汽轮机均有不同程度的通流部分间隙增大的情况，严重影响了汽轮机的安全经济运行。运行部门迫切需要有一种能对汽轮机通流部分间隙变化早期发现的监测方法［6，7］。无论是汽轮机通流部分结垢还是间隙增大，其对理想循环热效率几乎没有影响，但却导致汽轮机相对内效率降低，最终引起汽轮机热耗率增大。
3） 汽轮机通流部分流动效率低供电煤耗是影响发电成本的最主要因素，火电厂热经济性分析表明，电厂能耗偏高的一个重要原因是汽轮机通流部分效率低。我国早期设计制造的汽轮机组由于当时设计水平有限，制造工艺落后，运行设备老化等，汽轮机内效率低、热耗率高，造成很大的能源浪费和环境污染。经过近20年的发展，围绕提高效率和效益、改善环境、降低成本，各汽轮机制造厂纷纷引进和消化国外最先进的、成熟的三维气动热力设计技术，开始有计划、有规模地实施旧机组通流部分改造，以增加出力、降低能耗。汽轮机通流部分改造已证实是提高机组效率的有力措施。总体来看，整机改造后机组效率可提高2.5%以上，热耗率下降200kJ（kW h）以上，出力可增加10%，经济效益显著［8］。
4. 汽轮机回热系统汽轮机回热系统是汽轮机最重要的辅助系统，现代汽轮机几乎无一例外地均采用回热系统，以便减少汽轮机的排汽冷源损失，提高理想循环热效率。但是，当汽轮机回热加热器的端差、回热抽汽压力损失增大等原因出现时，汽轮机回热抽汽量减少，排汽量增大，冷源损失增大，引起理想循环热效率降低，最终导致汽轮机热耗率增大。同时，当回热系统的运行方式发生变化时，例如，高压加热器（简称“高加”）泄漏而切除运行、高压加热器疏水不能引入除氧器而引入低压加热器（简称“低加”）等不正常运行方式，也会引起汽轮机冷源损失增大，理想循环热效率降低。此外，再热器喷水减温的投入，也会引起汽轮机理想循环热效率的降低。回热系统运行方式或回热系统状态变化，对汽轮机相对内效率影响很小，但对理想循环热效率却产生很大的影响，从而造成汽轮机热耗率的增大［9］。
1.1.2汽轮机的节能潜力
分析反映火力发电厂运行热经济性的综合指标是发电标准煤耗率，其大小又主要取决于锅炉效率和汽轮机的循环热效率或热耗率。某火力发电厂各机组的主要运行和设计经济指标汇总见表1-1。由表1-1可见，该厂发电标准煤耗率为327.4g（kW h），高于各台机组设计发电标准煤耗率的加权平均值，具有较大的节能潜力。
表1-1某发电厂各台机组的主要运行经济指标汇总
由于影响火电机组煤耗率的因素主要有锅炉热效率、汽轮机热耗率或汽轮机循环热效率，由表1-1可见，该厂各机组锅炉效率均接近于其设计值，而汽轮机热耗率、汽耗率均比设计值高，因此，可认为机组煤耗率高于其设计值主要是汽轮机方面的原因引起的。综上所述，该厂锅炉效率方面已经达到了其最大潜力，再进一步提高的潜力比较小。因此，该厂应该努力在提高汽轮机循环热效率，降低汽轮机热耗率或汽耗率方面挖掘节能潜力，降低机组的发电标准煤耗率。而影响汽轮机热耗率或循环热效率的主要因素有三个方面，即汽轮机运行初终参数、汽轮机本体相对内效率和汽轮机热力系统状态。
下面，从这三个方面分析其节能潜力。1） 汽轮机主蒸汽和再热蒸汽参数及负荷汽轮机初参数如主蒸汽温度、主蒸汽压力、再热蒸汽温度均由锅炉方
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