姚武

（哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150046）

1 引言

隨著單機(jī)功率的大型化，低壓缸的功率已經(jīng)約占整機(jī)功率的35%左右。低壓排汽缸將做過功的蒸汽（也稱乏汽）從低壓缸末級動葉導(dǎo)入到冷凝器中，同時盡可能回收乏汽的動能。蒸汽在排汽缸中的流動很復(fù)雜，折轉(zhuǎn)時將產(chǎn)生強(qiáng)烈的周向和徑向壓力梯度，形成大尺度漩渦，這樣會產(chǎn)生一定的能量損失。如果該能量損失大，壓力恢復(fù)系數(shù)將降低，則末級動葉的出口背壓將增大，機(jī)組的焓降將降低進(jìn)而做功能力下降。研究表明,排汽缸損失系數(shù)降低0.1，可使汽輪機(jī)的整機(jī)效率提高大約0.15%。由此看出，排汽缸的氣動性能的好壞對整個機(jī)組的循環(huán)效率有一定的影響。所以，研究排汽缸的氣動性能對改善機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 空冷600MW 排汽缸結(jié)構(gòu)簡述

600MW 空冷汽輪機(jī)低壓排汽缸整體尺寸為6.176m（高H）×6.60m（寬B）×1.463m（軸向長L）（不計(jì)壁厚）。考慮到內(nèi)缸與外缸間蒸汽通道，實(shí)際汽輪機(jī)組的低壓排氣部分比排汽缸本身的軸向尺寸要大，此時L=2.76m。計(jì)算中模型尺寸是按后者確定的（以下統(tǒng)稱為排汽缸）。排汽缸內(nèi)有導(dǎo)流環(huán)且導(dǎo)流環(huán)背面有多個筋板，缸內(nèi)還有多個撐桿。為防止計(jì)算發(fā)散，需將出口延長一段。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 排汽缸模型

3 空冷600MW 低壓排汽缸氣動優(yōu)化

實(shí)際結(jié)構(gòu)中，排汽缸導(dǎo)流環(huán)上有加強(qiáng)筋板，但初次優(yōu)化時忽略了加強(qiáng)筋板，比較相對優(yōu)化效果，最后加上加強(qiáng)筋板，計(jì)算實(shí)際優(yōu)化效果，這樣既可快速優(yōu)化，又可以考察優(yōu)化的真實(shí)效果。

根據(jù)文獻(xiàn)［1］，影響擴(kuò)壓器性能的結(jié)構(gòu)參數(shù)主要有擴(kuò)壓管出口直徑R3（見圖2），出口寬度b，擴(kuò)壓管出口外沿距排汽缸頂壁的距離S，導(dǎo)流錐斜切角α1，導(dǎo)流環(huán)起始擴(kuò)散角α2，進(jìn)出口面積比及子午面流道形狀，軸向距離L2。由于末級葉片和轉(zhuǎn)子長度固定，L2、R2、R1大小固定，所以結(jié)構(gòu)優(yōu)化時通過改變上述其它參數(shù)來實(shí)現(xiàn)。

圖2 排汽缸擴(kuò)壓通道xy 平面（z=0）示意圖

3.1 初次優(yōu)化

通過改變圖2 中的部分參數(shù)，優(yōu)化了多個方案，最終優(yōu)化方案如圖3和表1所示。優(yōu)化過程中，保證低壓缸外形尺寸和入口幾何尺寸不變，只是改變導(dǎo)流環(huán)部分的結(jié)構(gòu)尺寸，這樣可以保證其他部分不變，如末級葉片的高度、轉(zhuǎn)子長度、內(nèi)外缸結(jié)構(gòu)等。優(yōu)化主要集中在4個方面：（1）減小擴(kuò)壓器的擴(kuò)壓比，即進(jìn)出口面積比，由1.90 減小到1.86；（2）增大導(dǎo)流環(huán)弧段半徑，放緩汽流折轉(zhuǎn)速度；（3）減緩導(dǎo)流環(huán)起始擴(kuò)散角，由28°減小到25°，更好適應(yīng)動葉出口速度方向；（4）減小導(dǎo)流環(huán)的徑向尺寸，擴(kuò)壓器出口外沿距排汽缸頂壁的距離S 由1004mm 減小到944.7mm。

圖3 排汽缸優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)對比

表1 優(yōu)化結(jié)構(gòu)主要參數(shù)

描述排汽缸性能的主要參數(shù)有靜壓恢復(fù)系數(shù)、總壓損失系數(shù)。前者表征排汽缸對余速動能的回收能力，后者表示排汽缸自身的損失情況，具體定義如下：

表2是優(yōu)化前后總參數(shù)對比，圖4～圖6是流場對比。分析表2 中數(shù)據(jù)，優(yōu)化后各項(xiàng)參數(shù)均有大幅度改善，尤其排汽缸出口靜壓恢復(fù)系數(shù)更是提高137.7%，排汽缸出口總壓損失系數(shù)降低了30.6%。分析流線分布情況，優(yōu)化前導(dǎo)流錐出口有較大的分離，將導(dǎo)致較大的流動損失，漩渦的存在使得局部速度增大，靜壓下降，靜壓恢復(fù)系數(shù)也下降。優(yōu)化后基本消除了導(dǎo)流錐出口頂部的漩渦，而下部由于存在頂部向下90°的折轉(zhuǎn)流動，漩渦沒有完全消除，但是也有所減弱。由于導(dǎo)流環(huán)和導(dǎo)流錐組成的通道是決定靜壓恢復(fù)和總壓損失的主要部分，所以優(yōu)化后整體性能大幅提高。

表2 優(yōu)化前后總參數(shù)對比

圖4 z=0 時xy 平面的流線圖

圖5 與y=0 平面呈60°的平面上的流線圖

圖6 y=0 時xz 平面的流線圖

3.2 實(shí)際性能改善

表3是考慮加強(qiáng)筋板后的實(shí)際性能變化，由于加強(qiáng)筋板會使整個排汽缸的總壓損失增大，所以優(yōu)化后提高的幅度沒有上面的大，但是對于實(shí)際排汽缸來講，靜壓恢復(fù)系數(shù)提高9.2%、總壓損失下降5.3%也是相當(dāng)大的改進(jìn)。

表3 考慮加強(qiáng)筋板實(shí)際優(yōu)化效果對比

4 結(jié)論

（1）原導(dǎo)流環(huán)結(jié)構(gòu)的氣動性能不理想。在設(shè)計(jì)工況下導(dǎo)流環(huán)出口處發(fā)生邊界層分離現(xiàn)象因而有漩渦產(chǎn)生，導(dǎo)致擴(kuò)壓器出口和排汽缸出口靜壓恢復(fù)系數(shù)低，總壓損失系數(shù)大。

（2）將導(dǎo)流環(huán)起始擴(kuò)散角由原來的28°減小到25°，擴(kuò)壓管出口寬度b 由原850mm 減小到819.6mm，擴(kuò)壓管出口外沿距排汽缸頂壁的距離由原來的1004mm 減小到971.6mm 時，導(dǎo)流環(huán)出口處流動無分離現(xiàn)象發(fā)生，排汽缸氣動性能優(yōu)良。

（3）優(yōu)化后，排汽缸靜壓恢復(fù)系數(shù)提高9.2%，總壓損失下降5.3%。

［1］陳洪溪.大型空冷汽輪機(jī)低壓排汽缸幾何尺寸對氣動性能的影響［J］.動力工程，2003，23（6）：2740-2743.