黃 俊 ，丁斌開，楊新健

(1.安徽馬鞍山當(dāng)涂發(fā)電有限公司，安徽 馬鞍山 243102;2.國(guó)電蓬萊發(fā)電有限公司，山東 蓬萊 265601;3.華北電力大學(xué) 電站設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 保定 071003)

0 引言

汽輪機(jī)低壓排汽缸作為連接汽輪機(jī)末級(jí)和凝汽器的通道，是汽輪機(jī)組的關(guān)鍵部件，將通流部分末級(jí)流出的汽流很好地組織引導(dǎo)進(jìn)凝汽器，并將末級(jí)出口的余速動(dòng)能盡可能地轉(zhuǎn)化為壓力能。在凝汽器壓力給定的情況下，降低汽輪機(jī)末級(jí)出口處的靜壓，能夠提高汽輪機(jī)組的效率。排汽缸流場(chǎng)直接影響到凝汽器喉部的流場(chǎng)，進(jìn)而影響凝汽器的換熱［1］。對(duì)大功率汽輪發(fā)電機(jī)組，排汽缸能量相當(dāng)于總可用能量的2%以上，大約占機(jī)組總損失的15%［2］。

排汽缸一般由擴(kuò)壓管和蝸殼組成。汽流在擴(kuò)壓管內(nèi)實(shí)現(xiàn)擴(kuò)壓和轉(zhuǎn)彎，再在蝸殼內(nèi)進(jìn)行一系列復(fù)雜的流動(dòng)。在擴(kuò)壓管的內(nèi)外壁面附近，汽流容易形成漩渦(Vortex)，對(duì)下游造成干擾并增大能量耗散。文獻(xiàn)［3～6］研究了排汽缸尺寸對(duì)其氣動(dòng)性能的影響，文獻(xiàn)［7～13］研究了擴(kuò)壓管流場(chǎng)對(duì)排汽缸性能的影響。本文著重對(duì)國(guó)產(chǎn)某600 MW機(jī)組排汽缸的上半部?jī)?nèi)產(chǎn)生的漩渦進(jìn)行研究，通過(guò)裝設(shè)一列擋板，能將此處漩渦強(qiáng)度減弱，改善排汽缸內(nèi)流場(chǎng)。

1 模型計(jì)算區(qū)域

圖1 為排汽缸內(nèi)流場(chǎng)計(jì)算區(qū)域 (1/2 模型)示意圖，圖2 為排汽缸計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格示意圖，經(jīng)過(guò)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，網(wǎng)格數(shù)約為200萬(wàn)個(gè)，保證了計(jì)算的精準(zhǔn)度。

圖1 排汽缸(1/2 模型)流場(chǎng)計(jì)算區(qū)域示意圖Fig.1 Diagrammatic drawing of flow field computational domain in exhaust hood (half)

在Fluent 軟件平臺(tái)上，基于壓力求解由連續(xù)性方程和動(dòng)量方程組成的方程組。選取速度進(jìn)口和壓力出口作為邊界條件;壁面為無(wú)滑移壁面邊界;選擇SIMPLE 作為壓力－速度耦合方式［14］。

連續(xù)性方程:

圖2 排汽缸計(jì)算網(wǎng)格示意圖Fig.2 Diagrammatic drawing of computational grid in exhaust hood

動(dòng)量方程:

2 數(shù)值模擬與分析

排汽缸內(nèi)，用ΔPc來(lái)描述排汽壓力損失:

式中:Pin為排汽缸進(jìn)口壓力，Pa;Pout為排汽缸出口壓力，Pa;

2.1 未加裝擋板的排汽缸數(shù)值模擬與分析

對(duì)未加裝任何裝置的排汽缸進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果如圖3 所示。從圖3(a)可以清楚地看出，在擴(kuò)壓管下游的汽缸拱頂處產(chǎn)生了漩渦，中分面以上的空間內(nèi)，漩渦螺旋前進(jìn)流動(dòng)，螺旋程度由強(qiáng)逐漸減弱;中分面以下的空間內(nèi)，汽流已接近直流。

圖3 未加裝擋板的排汽缸內(nèi)流場(chǎng)分布Fig.3 Flow field in exhaust hood without deflectors

排汽缸內(nèi)漩渦擾亂了蝸殼內(nèi)的流場(chǎng)，增大了能量損失，使得蝸殼內(nèi)的總壓損失占排汽缸總損失的份額比擴(kuò)壓管的總壓損失占排汽缸總損失的份額大很多(如圖4)。如果在中分面以上的蝸殼內(nèi)裝設(shè)擋板，能減弱漩渦的強(qiáng)度，改善排汽缸內(nèi)的流場(chǎng)。

圖4 未加裝擋板的排汽缸各部分壓力損失比Fig.4 Pressure loss ratio in different parts of exhaust hood without deflectors

2.2 加裝擋板的排汽缸數(shù)值模擬與分析

圖3 (b)所示的排汽缸子午面速度矢量圖中，位置1 與位置2 之間的范圍為漩渦的中心低速區(qū)域，在此范圍內(nèi)加裝擋板能達(dá)到較好的消渦效果。

首先在位置1 加裝一片擋板，其下邊緣與汽缸壁相連(如圖5)，對(duì)排汽缸進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果如圖6，可以看出，汽流受到位置1 擋板的阻擋后，不能繼續(xù)向前流動(dòng)，只能順著擋板延伸的方向有規(guī)律的流向排汽缸出口，如同一股直流。計(jì)算結(jié)果顯示，與沒有擋板的排汽缸相比，排汽壓損減小了12 Pa。

圖5 擋板位置示意圖Fig.5 Site of deflectors in exhaust hood

圖6 位置1 裝置擋板的排汽缸內(nèi)流線Fig.6 Streamlines in exhaust hood with deflectors on site 1

在位置2 加裝一片擋板，并對(duì)排汽缸進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果如圖7 所示。結(jié)果表明，位置2 擋板的下邊緣與壁面之間的距離為150 mm 的時(shí)候，排汽缸流動(dòng)特性最優(yōu)，排汽缸總壓損失進(jìn)一步減小10 Pa。

圖7 位置1 和位置2 裝置擋板的排汽缸內(nèi)流線Fig.7 Streamlines in exhaust hood with deflectors on site 1 and site 2

在位置1 和位置2 之間繼續(xù)均勻加裝若干個(gè)擋板(圖5)。擋板組正好穿過(guò)漩渦的中心區(qū)域，將漩渦分割成若干個(gè)部分，流體被限制在擋板與擋板之間和擋板與汽缸壁之間的有限空間內(nèi)，并順著擋板延伸的方向流動(dòng)，如同若干股直流排向出口(圖8)。模擬結(jié)果表明，擋板組下邊緣與汽缸壁之間的距離為150 mm 的時(shí)候，效果最佳，可繼續(xù)使排汽阻力損失減小30 Pa。

圖8 裝置擋板組的排汽缸內(nèi)典型流束流線Fig.8 Streamlines in exhaust hood with deflectors series

與沒有加裝任何裝置的排汽缸相比，加裝了擋板組的排汽缸排汽壓損減小了52 Pa，蝸殼部分總壓損失占排汽缸總損失的份額由原來(lái)的0.763降低至0.692 (如圖9)。

圖9 加裝擋板的排汽缸各部分壓力損失比Fig.9 Pressure loss ratio in different parts of exhaust hood with deflectors

3 結(jié)論

(1)汽流從擴(kuò)壓管排出后，翻轉(zhuǎn)變向，在上半缸形成一處強(qiáng)度較大的漩渦，該漩渦造成的排汽損失是排汽缸總損失的主要部分。中分面以上的空間內(nèi)，漩渦螺旋前進(jìn)流動(dòng)，螺旋程度由強(qiáng)逐漸減弱;中分面以下的空間內(nèi)，汽流已接近直流。

(2)通過(guò)對(duì)漩渦的研究發(fā)現(xiàn)，在上半缸內(nèi)裝置一列擋板，能在一定程度上削弱漩渦的強(qiáng)度，使汽流能順著擋板延伸的方向有規(guī)律的流動(dòng)，如同多股直流排向出口，排汽缸流場(chǎng)得到了改善。與沒有裝置擋板的排汽缸相比，在上半缸裝置了一列擋板的排汽缸的排汽壓損降低了52 Pa，蝸殼部分的總壓損失比由原來(lái)的0.763 降低至0.692。

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