曾憲鈺+袁益超+徐國鵬+閆紹兵

摘要：為了獲得過熱器和再熱器T型三通對集箱靜壓分布及三通兩側(cè)分流比對渦流區(qū)和集箱靜壓分布的影響規(guī)律，以空氣為工質(zhì)對純?nèi)Ｐ瓦M(jìn)行流動特性試驗.研究結(jié)果表明：帶三通集箱靜壓分布受一次渦流和二次渦流的共同影響，一次渦流影響范圍為-2.5D～2.5D（D為等徑三通內(nèi)徑），二次渦流影響范圍為-1.5D～1.5D；三通兩側(cè)分流比對渦流區(qū)范圍影響較??；隨著三通某側(cè)流量增大，該側(cè)靜壓降低，但靜壓分布規(guī)律無明顯變化.在一次渦流影響范圍內(nèi)，正母線和右下40°線的靜壓差異受分流比的變化影響較?。粋?cè)母線的靜壓差異隨分流比的增大而有所增大.

關(guān)鍵詞：T型三通； 集箱； 靜壓分布； 渦流區(qū)

中圖分類號： TK 223 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Abstract：Abstract： Experimental study on the flow characteristics of Tjoint model using air as working fluid were conducted to get the influence of Tjoint on the static pressure distribution in the header of boiler superheater and reheater as well as the influence of split ratio on the both sides of Tjoint on the vortex zone and static pressure distribution. The results showed that the static pressure distribution in Tjoint was affected by the first vortex and second vortex. The range affected by the first vortex was from -2.5 to 2.5 times inner diameter of Tjoint. The range affected by the second vortex was from -1.5 to 1.5 times inner diameter of Tjoint. The split ratio on both sides of Tjoint had little effect on the range of vortex. As the flow rate increased on one side of Tjoint，the static pressure on this side decreased. However，there was no significant changes of static pressure distribution. In the range affected by the first vortex，the split ratio had little impact on the static pressure difference at the position of positive generatrix and at lower right line of 40 degrees，while the static pressure difference at the position of side generatrix increased with the rising of split ratio.

Keywords：Tjoint； header； static pressure distribution； vortex

隨著電站鍋爐向大容量高參數(shù)發(fā)展，過熱器和再熱器系統(tǒng)更加復(fù)雜，其受熱面超溫爆管的問題更需重視.目前大容量電站鍋爐過熱器和再熱器的蒸汽引入、引出管多采用T型三通結(jié)構(gòu)，由集箱徑向引入、引出.因為在集箱上采用多點徑向引入、引出方式，與單點軸向引入、引出方式相比而言，可以降低集箱中工質(zhì)流速，使靜壓變化減小，從而減小流量偏差.但該方式也存在問題：在分配集箱T型進(jìn)口三通附近的蒸汽流中存在渦流區(qū)，使得該區(qū)域管屏中蒸汽流量偏小，如果這部分管屏的煙氣側(cè)熱負(fù)荷較高，就很容易發(fā)生超溫爆管[1]，嚴(yán)重影響鍋爐機(jī)組運行的安全性.

針對蒸汽徑向引入、引出“三通效應(yīng)”問題，國內(nèi)外學(xué)者做了大量研究.Pollard等[2]對分流三通湍流情況進(jìn)行三維數(shù)值模擬計算，證實了三通附近渦流區(qū)的存在，并且該區(qū)域還存在二次渦流.匡江紅等[3]利用數(shù)值模擬的方法，研究三通集箱系統(tǒng)靜壓分布規(guī)律，得出在分配集箱進(jìn)口三通兩側(cè)存在2個渦流區(qū)，正對三通中心線的支管處靜壓最高，遠(yuǎn)離三通區(qū)域靜壓分布規(guī)律與軸向引入、引出方式的基本一致.衛(wèi)飛飛等[4]基于SIMPLEC方法編制了相應(yīng)的計算程序，并與試驗結(jié)果相比較，得出進(jìn)口三通兩側(cè)存在2個渦流區(qū)，使得管屏流量減??；渦流區(qū)的影響范圍與匡江紅等[3]的研究結(jié)果一致.劉進(jìn)等[5]針對大容量電站鍋爐中過熱器和再熱器集箱的徑向引入、引出三通結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明：三通效應(yīng)在正母線、側(cè)母線方向體現(xiàn)出不同的特征，主要原因是在三通區(qū)域存在3個明顯的回流區(qū)，其共同作用決定了三通效應(yīng)的影響模式.陸方等[6]對集箱三通區(qū)域的蒸汽在復(fù)雜流動工況下產(chǎn)生的渦流進(jìn)行了冷態(tài)?；囼?，發(fā)現(xiàn)了集箱三通區(qū)域靜壓分布的影響因素，并得到了一些經(jīng)驗公式用于計算三通區(qū)域的壓力分布.羅永浩等[7]就T型進(jìn)口三通對分配集箱流量分配的影響進(jìn)行了試驗及計算分析，得出三通渦流區(qū)對集箱靜壓分布及支管入口阻力系數(shù)的影響規(guī)律.從以上研究來看，針對過熱器和再熱器帶三通集箱兩側(cè)分流比對渦流區(qū)和集箱靜壓分布影響規(guī)律的研究較少.在鍋爐設(shè)計及實際運行時，過熱器和再熱器帶三通集箱兩側(cè)流量不會嚴(yán)格按照1∶1的比例進(jìn)行分配.因此，本文將利用?；囼灥姆椒ㄑ芯窟^熱器和再熱器帶三通集箱兩側(cè)分流比對渦流區(qū)和集箱靜壓分布的影響規(guī)律，為改善采用三通引入、引出的過熱器和再熱器受熱面超溫爆管問題提供可靠的技術(shù)依據(jù).

1 模化試驗

1.1 ?；囼炁_

采用空氣代替實際高溫高壓蒸汽進(jìn)行帶三通集箱流動特性試驗.試驗臺如圖1所示，空氣由鼓風(fēng)機(jī)從外界環(huán)境引入，流經(jīng)純?nèi)Ｐ秃笥勺蟆⒂覂蓚?cè)出風(fēng)道排出.三通兩側(cè)分流比R（左側(cè)流量與右側(cè)流量之比）由左、右兩側(cè)出風(fēng)道上的調(diào)風(fēng)擋板調(diào)節(jié).純?nèi)Ｐ蜑?00 mm等徑三通，由有機(jī)玻璃加工而成，壓力測點分別布置在正母線、側(cè)母線及右下40°線上.以往研究成果[5-6]表明，渦流區(qū)的影響范圍為±（2～3）D（D為等徑三通內(nèi)徑）.為更好地研究R對集箱內(nèi)靜壓分布的影響規(guī)律，本試驗壓力測點覆蓋范圍為-4D～4D.由精度為0.075 9%的EJA110A型差壓變送器測量各點與大氣的壓差，差壓變送器輸出的4～20 mA電流信號經(jīng)ADAM4018模塊轉(zhuǎn)換后，由計算機(jī)采集.

1.2 試驗數(shù)據(jù)處理方法

為達(dá)到通用性的目的，對?；囼灁?shù)據(jù)進(jìn)行無量綱化與準(zhǔn)則數(shù)化處理，將集箱內(nèi)壓力變化規(guī)律用歐拉數(shù)Eu表示，各測點沿集箱長度方向位置用無量綱長度L/D表示，其中L為集箱上各測點所在截面與徑向引入管軸線之間的距離.

2 試驗結(jié)果分析

在流體流動過程中，當(dāng)Re大于某一數(shù)值（第二臨界值）時，流速分布彼此相似，與Re無關(guān)，常將此范圍稱為第二自模區(qū).根據(jù)過熱器和再熱器的設(shè)計參數(shù)，其過熱蒸汽的流動狀態(tài)已處于第二自模區(qū).因此，只要試驗工況進(jìn)入第二自模區(qū)，試驗結(jié)果就能反映實爐工況.為獲得流體流動進(jìn)入第二自模區(qū)的臨界Re，分別在三通進(jìn)口Re為5.66×105、6.67×105、8.49×105和8.81×105時進(jìn)行試驗，結(jié)果表明：當(dāng)Re>6.67×105時，正母線、側(cè)母線及右下40°線上各測點Eu基本不變，表明此時流動已進(jìn)入第二自模區(qū).本文試驗工況三通進(jìn)口Re選取7.93×105.

2.1 三通靜壓分布

圖2為R=1∶1時三通靜壓分布.由圖中可以看出：

（1） 在正對三通引入管區(qū)域，即L/D=-0.5～0.5區(qū)域，由于氣流滯止作用，正母線和右下40°線Eu最大.在L/D=-0.5～-1.5和L/D=0.5～1.5區(qū)域，正母線Eu快速減小，并在L/D為±1.5左右時達(dá)到最小值.主要原因是：引入管引入的氣流在轉(zhuǎn)彎分流時，由于氣流慣性影響，當(dāng)氣流流動方向發(fā)生改變時，在黏性力和剪切力共同作用下導(dǎo)致氣流分層，分層后的氣流在靠近徑向引入管與集箱交接處流動損失較大，而靠近三通中央?yún)^(qū)域流體流動損失較小，徑向引入管與集箱交接處靜壓要低于三通中央?yún)^(qū)域靜壓，從而形成了一次渦流；渦流區(qū)占據(jù)了集箱的部分流通面積，使得由徑向引入管引入的氣流在轉(zhuǎn)彎分流時流通面積減小，導(dǎo)致流速增高，靜壓下降.在L/D =-1.5～-2.5和L/D =1.5～2.5區(qū)域，Eu逐漸升高.由此可見，一次渦流影響范圍為L/D=-2.5～2.5.

（2） 側(cè)母線的最低靜壓低于正母線的最低靜壓，并且最低靜壓點的位置更靠近引入管中心線.這是由于沿圓周壁面由正母線到側(cè)母線的壓力梯度形成的二次渦流引起的.由于二次渦流的影響，在L/D =-1.5～1.5區(qū)域，與集箱軸線垂直的截面上圓周方向各點靜壓有很大差異，正母線最高，右下40°線次之，側(cè)母線最低；在L/D=±1.25左右正母線和右下40°線Eu差異不明顯但仍然高于側(cè)母線；在L/D=±1.5左右時，正母線、側(cè)母線及右下40°線Eu基本一致.由此可見，二次渦流的影響范圍為L/D=-1.5～1.5.

2.2 R對三通靜壓分布的影響

圖2（a）、2（b）、2（c）給出了R分別為1∶1、1∶1.25、1∶1.5時三通靜壓分布.從圖中可以看出，在R變化時，一次渦流影響范圍為L/D=-2.5～2.5，二次渦流影響范圍為L/D=-1.5～1.5，說明R對渦流區(qū)范圍影響不大.

圖3分別為R=1∶1、1∶1.25、1∶1.5時集箱軸向靜壓分布.從圖中可以看出：隨著三通右側(cè)流量增大，該側(cè)靜壓降低，但靜壓分布規(guī)律無明顯變化；在渦流區(qū)影響范圍（L/D=-2.5～2.5）內(nèi)，正母線和右下40°線的靜壓差異受分流比的變化影響較?。粋?cè)母線的靜壓差異隨分流比的增大而有所增大.

3 結(jié) 論

（1） 帶三通集箱靜壓分布受一次渦流和二次渦流的共同影響.在正對三通引入管區(qū)域靜壓最高，遠(yuǎn)離三通區(qū)域靜壓分布規(guī)律與軸向引入、引出方式的基本一致.根據(jù)本文試驗結(jié)果，一次渦流影響范圍為L/D=-2.5～2.5，二次渦流影響范圍為L/D=-1.5～1.5.

（2） 三通兩側(cè)分流比R對渦流區(qū)范圍影響較??；隨著三通某側(cè)流量增大，該側(cè)靜壓降低，但靜壓分布規(guī)律無明顯變化.

（3） 在一次渦流影響范圍（L/D=-2.5～2.5）內(nèi)，正母線和右下40°線的靜壓差異受分流比的變化影響較小；側(cè)母線的靜壓差異隨分流比的增大而有所增大.

參考文獻(xiàn)：

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[2] POLLARD A，SPALDING D B.The prediction of the threedimensional turbulent flow field in a flowsplitting teejunction[J].Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering，1978，13（3）：293-306.

[3] 匡江紅，劉平元，陳朝松，等.電站鍋爐過熱器、再熱器集箱靜壓分布的數(shù)值研究[J].動力工程，2004，24（2）：166-169.

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[7] 羅永浩，楊世銘，王孟浩.T型進(jìn)口三通對分配集箱流量分配的影響[J].動力工程，1998，18（3）：29-33.