现有的多样化发电方式需要汽轮机机组灵活运行,这导致低压缸长期运行在低负荷工况,流场结构呈现非常复杂的三维流动,尤其是末级长叶片叶栅内的流动,会产生脱流、回流等现象,甚至进入鼓风状态运行,使得机组的经济性及安全性降低,因此研究低压缸小流量工况运行具有重要的工程意义。针对上述问题,本文以哈尔滨汽轮机厂有限责任公司提供的某典型汽轮机的几何参数,建立了低压缸多级叶栅分析计算模型,采用商业软件ANSYS-CFX进行数值计算,研究了极小流量工况条件下低压缸内部的流场结构,以及末级长叶片非定常气动与振动特性,为超临界和超超临界供热机组在深度调峰领域的发展奠定坚实的理论基础。首先对六级透平简化求解模型进定常计算,通过分析子午流场、S1流面流场、末级动叶表面流动情况、温度场分布和湿度分布等,考察了不同流量工况下低压缸湿蒸汽流动情况。结果表明,汽轮机低压缸在进入鼓风工况前的流动状态相对较好,当运行在极小流量工况下时,流场结构极其复杂,尤其是最末级叶栅内部的流动,相继出现了回流涡、分离涡、动静间隙涡。这些涡结构相互作用使得末级动叶表面的压力分布进行重构,经零压区向完全负压区发展。然后以六级透平定常计算结果为初场,采用CFX中的叶轮机械非定常计算方法TBR-TT进行非定常数值模拟,研究了该方法在超低负荷工况下多级湿蒸汽透平中模拟内部流场的可行性,并在多个进口流量工况下进行非定常数值模拟,研究了末级长叶片的非定常气动特性以及相应的流场旋涡结构作用机制。结果表明,该方法基于k-e湍流模型进行计算时,即使在小流量工况下,也能较快较好地收敛。汽轮机低压缸末级动叶所受的非定常流体激振力随着进口质量流量的减小出现先减小后增加的变化趋势,在小于2.83kg/s时出现了突增现象。研究发现,非定常激振力的这种变化规律主要受到末级动叶顶部区域非稳态流场结构的影响。最后,采用传统的非定常计算方法,基于SST湍流模型在建模通道数比为3:5:3:4的低压缸末两级简化计算模型中进行瞬态模拟。结果表明,在极小流量工况下,末级动叶表面静压监测信号中不仅包含末级静叶通过频率及其倍频,还在低频区域产生了不同幅值的尖峰和尖峰群。旋涡识别分析发现,叶根和叶中区域旋涡结构较为稳定,而叶尖区域由于间隙涡等因素在周向表现出明显的不均匀性,在鼓风工况点末级动叶叶顶区域出现沿周向传播的旋转不稳定现象。