在汽轮机低压级内,由于蒸汽热力参数低及流动速度高,蒸汽会在叶栅流道内产生非平衡凝结,产生大量微小液滴,形成湿蒸汽。夹杂着大量微小液滴的湿蒸汽高速流动时不仅会对动叶叶片造成冲蚀,危及汽轮机安全运行,而且会降低汽轮机的做功效率。本文针对汽轮机低压级内出现的非平衡凝结现象,采用数值计算与实验结果相结合的方法对数值计算的准确性进行判定,然后采取“由简入繁”,“由静至动”的方案对非平衡凝结流动的特点进行了研究,最后提出一种新型除湿叶片结构,并对除湿效果进行了评价。本文主要研究内容及成果如下:(1)本文首先对国内外关于非平衡凝结流动的实验、理论及数值计算研究进行了总结,对非平衡凝结流动过程中涉及的控制方程及模型进行了分析,并且在已有基础上提出了非平衡凝结过程中涉及的两个模型的修正模型。(2)采用已有的实验数据,对修正模型的准确性进行了验证。分别采用修正模型及原模型对一维Moses-Stein喷嘴及二维Dykas静叶栅内的非平衡凝结流动进行了数值计算。计算结果表明,在Moses-Stein喷嘴中修正模型较原模型可以更为准确的预测非平衡凝结流动过程中的Wilson点位置及该点的热力学参数,在Dykas静叶栅内,修正模型较原模型可以更为准确的预测叶片表面压力分布及尾部激波角度。(3)采用已验证准确度的修正模型,对不同条件下的非平衡凝结流动的特点进行了研究,计算结果表明,随着蒸汽过热度的增加,压力突升位置逐渐远离进口但是压力突升幅度减小,成核率起始位置逐步后移,并且成核率最大值逐渐增加,湿度逐渐降低,表明较高的进口过热度会抑制非平衡凝结流动的产生。过高的膨胀率会导致过大的复驰时间差,导致过大的成核率,进而形成过多的液滴生长核心,增强了快速冷凝区域的传热传质过程,最终呈现出更高的湿度。随着粗糙度的增大,主要成核区域范围逐渐缩小,在喷嘴出口壁面附近形成的成核区域带宽度逐渐增加,湿度分布区域逐渐减小,湿度较高的区域逐渐增加,同时在喷嘴壁面附近的零湿度带状区域逐渐增大,湿度呈现被抑制的趋势,但是粗糙度的增加会降低喷嘴的通流质量进而降低了喷嘴的做功能力。(4)对汽轮机某级内不同动静叶位置非平衡凝结流动进行了研究,计算结果表明,随着相对位置的变化,静叶前缘附近的高压区域逐渐减小,并且流道内压力逐渐升高,其位置逐步向上游移动,并且低压区的值亦逐步增加。动叶叶片前缘吸力面附近的低压区域逐渐减小,同时与其相邻的另一个动叶片前缘吸力面低压区逐渐增大,在动叶尾部吸力面出现的低压区域逐渐缩小。动叶的高速旋转会对静叶流道上游及动叶叶栅内流场产生周期性的扰动,并且周期与动叶叶栅旋转周期一致。在静叶叶栅流道内,随着角度的增加,成核率最大值区域逐步上移,并且成核率最大值有所增加,但是成核率区域逐渐减小。(5)基于前文对非平衡凝结过程特点的分析,提出了一种通过将叶片前缘的高温蒸汽引导到成核区域,来抑制成核过程的发生,破坏成核区域从而抑制凝结核心的形成,达到降低湿度形成的除湿思路。对不同结构的除湿叶片除湿效果进行了评价。考虑到该叶片结构不易加工,在此基础上提出了改进型除湿叶片结构并对不同通道角度的除湿叶片除湿效果进行了计算分析。