汽輪機(jī)低壓排汽系統(tǒng)內(nèi)部流動及其氣動優(yōu)化設(shè)計(jì)研究.pdf

1、汽輪機(jī)低壓排汽系統(tǒng)是汽輪機(jī)通流部分的一個重要部件，它的主要作用是對汽流擴(kuò)壓把汽流的余速動能部分的轉(zhuǎn)化為壓力能。排汽系統(tǒng)中產(chǎn)生的壓力恢復(fù)使得透平末級的出口壓力低于冷凝器的壓力，有利于提高機(jī)組的出功能力。研究汽輪機(jī)低壓排汽系統(tǒng)內(nèi)部的流動結(jié)構(gòu)和理解其內(nèi)部流動損失機(jī)理為研制高性能的排汽系統(tǒng)提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，而探討排汽系統(tǒng)氣動優(yōu)化設(shè)計(jì)方法有利于進(jìn)一步完善汽輪機(jī)的設(shè)計(jì)體系。
　　實(shí)驗(yàn)測量和數(shù)值模擬是研究葉輪機(jī)械內(nèi)部流動的兩種基本方法。本文采用

2、實(shí)驗(yàn)測量和數(shù)值模擬兩種手段研究某型號汽輪機(jī)低壓排汽系統(tǒng)的小尺寸模型內(nèi)部的流動結(jié)構(gòu)。在實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合CFD和代理模型技術(shù)開發(fā)了一套氣動優(yōu)化系統(tǒng)并選擇影響排汽系統(tǒng)氣動性能的關(guān)鍵幾何參數(shù)進(jìn)行了氣動優(yōu)化設(shè)計(jì)。
　　本文主要研究內(nèi)容和研究成果如下：
　　1.依據(jù)相似準(zhǔn)則，設(shè)計(jì)加工了排汽系統(tǒng)小尺寸實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。根?jù)實(shí)驗(yàn)測量工況，搭建了排汽系統(tǒng)測試實(shí)驗(yàn)臺，并對測量儀器進(jìn)行安裝、調(diào)試，通過實(shí)驗(yàn)測量取得了較好的結(jié)果。
　　2.

3、采用熱線風(fēng)速儀在均勻來流條件下測量排汽系統(tǒng)擴(kuò)壓器出口和排汽蝸殼出口平均速度，并在導(dǎo)流環(huán)和軸承錐壁面上布置壓力孔測量壁面壓力。測試結(jié)果表明擴(kuò)壓器中的流動是一個壓力恢復(fù)過程，而排汽蝸殼中的通道渦隨著流動方向不斷膨脹，降低了排汽蝸殼的壓力恢復(fù)能力。采用PIV測速技術(shù)對排汽蝸殼不同周向平面和出口平面進(jìn)行了流場測量，捕捉到了排汽系統(tǒng)內(nèi)不同特征平面上的流動結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，在排汽蝸殼頂部位置形成的渦系沿著流動方向不斷減弱。
　　3.在實(shí)驗(yàn)測量工

4、況下，采用CFX軟件對實(shí)驗(yàn)工況進(jìn)行了數(shù)值模擬。將數(shù)值計(jì)算得到的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果比較，驗(yàn)證計(jì)算模型的可靠性和準(zhǔn)確性。計(jì)算結(jié)果表明排汽系統(tǒng)的壓力恢復(fù)主要由擴(kuò)壓器獲得，而排汽蝸殼中有較大的總壓損失。隨著流動向下游的發(fā)展，在排汽蝸殼頂部位置形成的復(fù)雜渦系不斷摻混，在蝸殼出口位置形成了大尺度的反向渦對。通過三個典型截面上流場分析和整個排汽蝸殼內(nèi)的渦系特征模式分析發(fā)現(xiàn)，通道渦和導(dǎo)流環(huán)弧背渦是排汽系統(tǒng)內(nèi)引起能量損失的主要來源。
　　4.采用小

5、生境微種群遺傳算法取代模式搜索算法對Kriging模型的似然函數(shù)進(jìn)行多變量尋優(yōu)得到相關(guān)參數(shù)向量，完成了對Kriging模型的改進(jìn)。采用兩個測試函數(shù)對改進(jìn)前后Kriging模型的預(yù)測精度和魯棒性進(jìn)行了測試，結(jié)果表明改進(jìn)后Kriging模型的預(yù)測精度和魯棒性更優(yōu)。優(yōu)化過程中綜合考慮Kriging模型的預(yù)測值與預(yù)測標(biāo)準(zhǔn)差，引入了期望提高函數(shù)得到校正點(diǎn)，解決了采用代理模型最優(yōu)策略得到校正點(diǎn)帶來的局部收斂問題。采用小生境微種群遺傳算法，結(jié)合無懲罰

6、因子的懲罰函數(shù)法來最大化期望提高函數(shù)，解決了選擇懲罰因子難以選擇困難，增強(qiáng)了算法的魯棒性。
　　5.把改進(jìn)Kriging模型、最大化期望提高準(zhǔn)則和小生境微種群遺傳算法結(jié)合起來發(fā)展了一種自適應(yīng)序列優(yōu)化算法(ASKO)，并在Matlab平臺上開發(fā)了相應(yīng)的計(jì)算程序。將ASKO算法應(yīng)用于四個數(shù)值算例和兩個工程算例，測試結(jié)果表明本文提出的算法收斂速度和精度更高，可以有效地提高優(yōu)化效率。
　　6.對排汽系統(tǒng)導(dǎo)流環(huán)和軸承錐的型線采用四階B

7、ezier曲線進(jìn)行參數(shù)化表達(dá)，采用三維幾何建模軟件UG/NX建立低壓排汽系統(tǒng)的參數(shù)化模型。在Matlab平臺上開發(fā)了低壓排汽系統(tǒng)的氣動優(yōu)化平臺。該平臺集成了四個模塊：UG參數(shù)化模型，網(wǎng)格劃分軟件ICEM-CFD，氣動分析軟件CFX和ASKO優(yōu)化算子。該平臺能自動完成優(yōu)化過程無需人工干預(yù)。
　　7.在該平臺上對模型低壓排汽系統(tǒng)進(jìn)行了氣動優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)來流條件下排汽系統(tǒng)的壓力恢復(fù)系數(shù)有了大幅度的提高，而總壓損失系數(shù)有了一定程度降低。將