魏春枝，陳順寶

(1.國網(wǎng)冀北電力有限公司技能培訓(xùn)中心，河北省保定市 071000；2.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(華北電力大學(xué))，河北省保定市 071003)

600MW機(jī)組排汽缸流場(chǎng)特點(diǎn)及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化

魏春枝1，陳順寶2

(1.國網(wǎng)冀北電力有限公司技能培訓(xùn)中心，河北省保定市 071000；2.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(華北電力大學(xué))，河北省保定市 071003)

排汽缸結(jié)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)致流場(chǎng)混亂，容易形成不同程度的漩渦，造成能量損失。為此，運(yùn)用流體計(jì)算軟件Fluent對(duì)排汽缸進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了其內(nèi)部流場(chǎng)特點(diǎn)，分析了擴(kuò)壓管出口寬度和內(nèi)壁傾角對(duì)擴(kuò)壓管出口處流場(chǎng)的影響。流體從擴(kuò)壓管流出后，向上翻轉(zhuǎn)進(jìn)入上半缸，在上半缸形成了另一個(gè)漩渦。針對(duì)排汽缸內(nèi)不同形式的漩渦，對(duì)擴(kuò)壓管出口結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改造和在拱頂處加裝導(dǎo)流擋板，存在一個(gè)最優(yōu)的擴(kuò)壓管出口寬度和內(nèi)壁傾斜角度，使得擴(kuò)壓管出口附近漩渦最??；導(dǎo)流板的數(shù)量和安裝位置對(duì)漩渦有不同程度的影響，通過模擬得出了最佳的擋板組合，能最大程度削弱排汽缸內(nèi)的漩渦，改善其性能。

排汽缸；擴(kuò)壓管；數(shù)值模擬；流場(chǎng)；排汽損失

0 引 言

汽輪機(jī)低壓排汽缸一般由擴(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)雜的運(yùn)動(dòng)[1]。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汽流能量耗散，這主要是由擴(kuò)壓管不合理的結(jié)構(gòu)造成的。徐旭等[2]指出排汽缸殼體內(nèi)復(fù)雜的漩渦結(jié)構(gòu)以及通道渦是影響排汽缸內(nèi)壓力恢復(fù)、產(chǎn)生總壓損失的主要因素。謝偉亮等[3]通過粒子成像測(cè)速(particle image velocimetry，PIV)實(shí)驗(yàn)研究了汽輪機(jī)低壓排汽缸模型內(nèi)的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，指出排汽缸內(nèi)的主要渦結(jié)構(gòu)為通道渦、分離渦和端壁渦，其中通道渦占據(jù)了大部分的空間并具有較大的渦量，分離渦和端壁渦都由通道渦誘發(fā)產(chǎn)生，渦量較小。

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%[4]。因此，對(duì)排汽缸流場(chǎng)進(jìn)行研究尤為重要。張荻等[5]對(duì)排汽缸內(nèi)的流場(chǎng)進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)[6-12]研究了擴(kuò)壓管流場(chǎng)對(duì)排汽缸性能的影響；竺曉程等[13]通過加裝擋板破壞排汽缸內(nèi)通道渦，改善了排汽系統(tǒng)的靜壓恢復(fù)能力，同時(shí)還指出，背弧上的肋板削弱了通流能力，導(dǎo)致排汽缸靜壓恢復(fù)能力下降。文獻(xiàn)[14]總結(jié)了汽輪機(jī)排汽通道數(shù)值研究的現(xiàn)狀和進(jìn)展，指出采用耦合數(shù)值模擬方法是研究汽輪機(jī)流動(dòng)特性的主要趨勢(shì)，改進(jìn)后的排汽缸流場(chǎng)改善了凝汽器喉部的流場(chǎng)[15-16]。針對(duì)排汽缸內(nèi)的漩渦，本文提出優(yōu)化擴(kuò)壓管的出口結(jié)構(gòu)并在上半缸拱頂處加裝導(dǎo)流擋板，以減小排汽缸內(nèi)的漩渦強(qiáng)度，改善排汽缸的氣動(dòng)性能。

1 物理模型及計(jì)算區(qū)域

圖1為排汽缸內(nèi)流場(chǎng)計(jì)算區(qū)域示意圖，由于結(jié)構(gòu)對(duì)稱，并且為了便于觀看內(nèi)部結(jié)構(gòu)，取模型的一半，所示剖切截面為子午面(xz平面)。圖2為排汽缸計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格示意圖，網(wǎng)格數(shù)約為200萬個(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

圖2 排汽缸計(jì)算網(wǎng)格示意圖

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；壁面為無滑移壁面邊界；選擇SIMPLE作為壓力-速度耦合方式[17]。連續(xù)性方程為

(1)

動(dòng)量方程為

(2)

式中：ρ為蒸汽密度；u,v,y分別為x,y,z方向速度；p為壓力；μ為流體動(dòng)力黏性系數(shù)。

2 數(shù)值模擬與分析

2.1 排汽缸流場(chǎng)特點(diǎn)

排汽缸內(nèi)排汽壓力損失為

Δpc=pin-pout

(3)

式中：pin為排汽缸進(jìn)口靜壓；pout為排汽缸出口靜壓。

對(duì)排汽缸進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果如圖3所示。從圖3(a)可看出：汽流在擴(kuò)壓管出口處形成了漩渦，這是由于擴(kuò)壓管出口寬度和出口內(nèi)壁傾斜角等參數(shù)選擇不當(dāng)造成的；在擴(kuò)壓管下游的汽缸拱頂處，汽流從擴(kuò)壓管出來，翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)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 排汽缸內(nèi)流場(chǎng)分布

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 排汽缸各部分的壓力損失比

2.2 排汽缸結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.2.1 擴(kuò)壓管出口邊傾角對(duì)流場(chǎng)的影響

圖5為排汽缸子午面示意圖，β是擴(kuò)壓管出口邊與豎直方向的夾角，順時(shí)針方向?yàn)樨?fù)，逆時(shí)針方向?yàn)檎?。改變傾角的大小，擴(kuò)壓管出口處流場(chǎng)發(fā)生變化，進(jìn)而影響排汽缸的整體性能。對(duì)具有不同β值的排汽缸進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果如圖6所示。

圖5 排汽缸(上半缸)子午面示意圖

圖6 排汽缸排汽壓力損失隨角度變化曲線

擴(kuò)壓管內(nèi)壁曲率半徑為固定值時(shí)，擴(kuò)壓管出口邊傾角存在一個(gè)特定值。當(dāng)傾角小于該特定值時(shí)，擴(kuò)壓管出口邊阻礙汽流排出，在出口附近產(chǎn)生倒流，形成阻流漩渦；當(dāng)傾角大于該特定值時(shí)，汽流在出口邊處形成脫流，內(nèi)壁附近流量密度減小，形成低密度漩渦。圖6表明，當(dāng)傾角β=75°時(shí)，排汽缸排汽壓力損失達(dá)到最小值，排汽缸氣動(dòng)性能得到改善。

2.2.2 擴(kuò)壓管出口寬度對(duì)流場(chǎng)的影響

擴(kuò)壓管出口寬度d(圖5)如果選取太大，會(huì)使得擴(kuò)壓管內(nèi)壁脫離區(qū)成為開放性的，即漩渦將會(huì)增大并延伸到出口，這不僅加大了汽流的漩渦損失，還使擴(kuò)壓管出口的有效寬度減小而降低了排汽缸余速動(dòng)能回收的能力；如果寬度選取太小，雖然能控制因脫流而形成的漩渦，但汽流在擴(kuò)壓管實(shí)現(xiàn)擴(kuò)壓轉(zhuǎn)彎后，速度會(huì)重新得到提升，伴隨著靜壓減小，削弱了排汽缸的擴(kuò)壓減速能力。

在上半缸的擴(kuò)壓管內(nèi)壁附近有規(guī)律地布置13個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，用以監(jiān)測(cè)擴(kuò)壓管內(nèi)壁靜壓隨位置的變化。從擴(kuò)壓管進(jìn)口到擴(kuò)壓管出口，將監(jiān)測(cè)點(diǎn)依次標(biāo)示為點(diǎn)1～13。圖7給出了不同出口寬度時(shí)各種形式的擴(kuò)壓管內(nèi)壁靜壓值變化曲線。

圖7 擴(kuò)壓管內(nèi)壁靜壓隨位置變化曲線

從圖7可看出，即使擴(kuò)壓管出口寬度不同，但擴(kuò)壓管內(nèi)靜壓值的變化都有相同的趨勢(shì)，即先連續(xù)增大，再在后段緩慢減小。這是因?yàn)槠飨仍跀U(kuò)壓管的擴(kuò)壓轉(zhuǎn)彎段內(nèi)減速擴(kuò)壓，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)能轉(zhuǎn)化為靜壓能；在出口處，由于汽流轉(zhuǎn)彎改變方向，形成了不同程度的漩渦，造成一定的能量損失，動(dòng)能轉(zhuǎn)化為靜壓能的總量減少。尤其是當(dāng)d過大時(shí)，在出口處所形成漩渦更大，造成的能量損失更多。因此，靜壓值在后段減小的趨勢(shì)也隨寬度的變化而不同。d為1 100、1 350 mm時(shí)，靜壓值減小的程度都較大；d=1 250 mm時(shí)，靜壓值減小的程度最小。再者，排汽缸的排汽損失也因擴(kuò)壓管出口寬度的不同而變化，如圖8所示，當(dāng)d=1 250 mm時(shí)，排汽缸壓力損失達(dá)到最小。

圖8 排汽缸汽阻隨擴(kuò)壓管出口寬度變化曲線

2.2.3 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，在這范圍內(nèi)加裝擋板能達(dá)到較好的消渦效果，如圖9所示。

圖9 擋板位置示意圖

通過對(duì)加裝了擋板的排汽缸進(jìn)行模擬計(jì)算后發(fā)現(xiàn)，位置1擋板下邊緣與汽缸壁相連，阻止汽流向前流動(dòng)，削弱形成漩渦的動(dòng)力，汽流只能順著擋板延伸的方向有規(guī)律地流向排汽缸出口，如同一股直流；位置2擋板下邊緣與汽缸壁距離為150 mm時(shí)，既不會(huì)因阻礙汽流運(yùn)動(dòng)而形成阻流漩渦，同時(shí)還能削弱漩渦的強(qiáng)度。在位置1和位置2之間繼續(xù)均勻加裝若干個(gè)擋板(圖9)，擋板組正好穿過漩渦的中心區(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10)。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。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的0.763降低至0.692(如圖11)。

圖10 裝置擋板組的排汽缸內(nèi)典型流束流線

圖11 加裝擋板后排汽缸各部分壓力損失比

3 結(jié) 論

(1) 排汽缸的特殊結(jié)構(gòu)導(dǎo)致汽流容易形成漩渦，增大能量損失，蝸殼處排汽損失占總損失的比例約為0.8。

(2) 對(duì)擴(kuò)壓管出口結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，能改善排汽缸流場(chǎng)，當(dāng)擴(kuò)壓管出口寬度為1 250 mm和擴(kuò)壓管出口內(nèi)壁傾角為75°時(shí)，排汽缸性能最佳。

(3) 針對(duì)上半缸拱頂處的漩渦，在此處加裝導(dǎo)流擋板能削弱漩渦的強(qiáng)度，排汽壓損能減小52 Pa，蝸殼部分壓損占總壓損的比例約降低至0.7。

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(編輯：蔣毅恒)

FlowFieldCharacteristicandStructureOptimizationofExhaustHoodin600MWUnits

WEI Chunzhi1, CHEN Shunbao2

(1. Technical Skills Training Center of State Grid Jibei Electric Power Co., Ltd., Baoding 071000, Hebei Province, China;2. Key Laboratory of Ministry of Education of Condition Monitoring and Control for Power Plant Equipment, North China Electric Power University, Baoding 071003, Hebei Province, China)

The complex structure of exhaust hood may cause the chaos of flow field, and produce different kinds of vortexes and energy loss. The model of exhaust hood was simulated with computational fluid dynamics software Fluent to study the characteristics of flow field, as well as the influence of diffuser outlet width and inner wall angle on the flow field at diffuser outlet. After flowing out of the diffuser, the field turns over into the upper half of exhaust hood and then produces another vortex thereby. According to the different types of vortexes in exhaust hood, the structure of diffuser outlet was optimized and deflectors were equipped in the upper half of exhaust hood. There are optimal diffuser outlet width and inner wall angle making the vortex minimum nearby diffuser outlet, and the number and installation site of the deflectors have different influence on the vortex. Finally, the best combination scheme of deflectors was obtained by simulation, which could furthest weaken the vortex in exhaust hood and improve its performance.

exhaust hood; diffuser; numerical simulation; flow field; exhaust pressure loss

TK 264.1

： A

： 1000-7229(2014)02-0108-05

10.3969/j.issn.1000-7229.2014.02.021

2013- 09- 22

：2013- 10- 14

魏春枝(1966)，女，副教授，主要從事熱能動(dòng)力工程的教學(xué)研究工作；

陳順寶(1989)，男，碩士研究生，主要從事汽輪機(jī)末級(jí)排汽流場(chǎng)研究工作，E-mail：296789960@qq.com。