側(cè)向凝汽器導(dǎo)流板設(shè)計方法的探討

陳光銀,李子鈞

(杭州汽輪輔機(jī)有限公司,浙江杭州310021)

側(cè)向凝汽器導(dǎo)流板設(shè)計方法的探討

陳光銀,李子鈞

(杭州汽輪輔機(jī)有限公司,浙江杭州310021)

在軸向排汽汽輪機(jī)裝置中,由于后軸承座對蒸汽流的阻擋作用,在凝汽器進(jìn)汽口的前部,將出現(xiàn)較強(qiáng)且不穩(wěn)定的旋渦。為了防止旋渦的產(chǎn)生,可加裝導(dǎo)流板裝置。為此,著重討論了側(cè)向凝汽器進(jìn)汽口導(dǎo)流板的設(shè)計方法,并使用CFD軟件進(jìn)行模似計算,以檢驗設(shè)計方案的適用性。同時,還設(shè)計了導(dǎo)流板固定裝置,利用CAE功能模塊,驗算了固定裝置的強(qiáng)度,最終確認(rèn)了設(shè)計方案的可靠性。

凝汽器;軸向;側(cè)向;湍流;導(dǎo)流板;裝置;設(shè)計;方案

0 概 述

軸向排汽汽輪機(jī),由于結(jié)構(gòu)緊湊而備受歡迎。對于排汽口流場特性方面的研究很少,在某文章[1]中,曾討論了排汽流場的特性。排汽時,由于后軸承座對蒸汽流的阻擋作用,將對汽流形成阻礙效應(yīng)并產(chǎn)生旋渦。為了消除排汽口的不穩(wěn)定旋渦,提出了加導(dǎo)流板的設(shè)計方案。

1 側(cè)向凝汽器進(jìn)汽口流場計算及特點

1.1 CFD模型

圖1 凝汽器的3D模型

側(cè)向凝汽器的3D模型,如圖1所示。為了便于討論,建立了一個包含與此問題相關(guān)特征的CFD模型[1]。如圖2所示,取凝汽器與排管組合體的1/4體積,作為計算區(qū)域。在計算模型中,包含后軸承座、管束、導(dǎo)流板。將管束建成多孔介質(zhì)模型[7-10],傳熱介質(zhì)采用單相水蒸氣,湍流模型為k-ε雙程模型[2-3]。設(shè)計模型時,確定了更加合理的排汽口設(shè)計方案,使排汽管具有一定膨脹角,因為汽機(jī)排缸通常帶有一定膨脹角,所以,設(shè)計排汽口時,也近似地匹配了擴(kuò)張角,如圖3所示。該模型的角度為12度。由于存在此角度,所以在蒸汽的進(jìn)口段,形成了由圓形向橢圓形逐漸過渡的圓臺。

圖2 組合體計算模型

圖3 CFD模型中的進(jìn)汽口角度

1.2 流場的特征

由于汽機(jī)軸承座的阻擋作用,在排汽管中心有個低速區(qū)域。在低速區(qū)域,氣流的回流嚴(yán)重,高速區(qū)與低速區(qū)有明顯的分界線,中心速度低,外環(huán)速度高,如圖4、圖5所示。高流速與中心旋渦區(qū)之間的過渡區(qū)域十分狹小,致使此區(qū)內(nèi)的速度梯度相當(dāng)大。過渡區(qū)域的流場是很不穩(wěn)定的,這種不穩(wěn)定性表現(xiàn)為引起管束振動[4,5,11]。圖6為蒸汽進(jìn)入凝汽器前在參考截面上的流速分布,同樣也反映出中心旋渦所引起的速度梯度問題。增加導(dǎo)流板,就是為了消除旋渦,增加流場的穩(wěn)定性。

圖4 垂直對稱面的流速分布

圖5 水平對稱面的流速分布

圖 6進(jìn)入凝汽器前在參考截面上的流速分布

2 導(dǎo)流板的設(shè)計

2.1 導(dǎo)流裝置的安裝位置及角度

加裝導(dǎo)流裝置,可有效消除不穩(wěn)定旋渦。對于消除不規(guī)則管道內(nèi)的不穩(wěn)定旋渦,較為簡單的辦法是等環(huán)面法[6],即可將排汽口有效面積分成若干等面積環(huán)。如圖7、圖8所示,有兩種等分方案:(1)由于截面為橢圓形,需分別按橢圓長軸、短軸尺寸劃分面積,與有效環(huán)面積均等。(2)按長軸、短軸尺寸,均分整個排汽口的面積。

在等分方案(1)中,有效環(huán)面積的計算為:

圖7 導(dǎo)流板的安裝位置

圖8 導(dǎo)流板的安裝角度(在垂直對稱面內(nèi))

在等分方案(2)中,面積的計算為:

在式(1)、式(2)中:S環(huán)為加導(dǎo)流板處排管截面積與軸承座占面積之差;S為加導(dǎo)流板處截面積;R為加導(dǎo)流板處截面的長半軸或者短半軸;r為軸承座直徑;r1、r2、…rn分別為n個等分導(dǎo)流板半徑(從大到小排列)。

依次解出各導(dǎo)流板半徑。導(dǎo)流板的安裝角度,可根據(jù)經(jīng)驗或利用已有的流場計算結(jié)果進(jìn)行確定。如依據(jù)圖4、圖5中速度的分布特點,可將中心位置導(dǎo)流板的傾斜角度設(shè)置得大一些,而將環(huán)中間位置導(dǎo)流板的角度設(shè)置得小一些,在兩個截面上分別按期望的流動方向,擺放導(dǎo)流板,并利用圖7所示的橢圓,作為放樣路徑,對圖8、圖9確定的導(dǎo)流板截面進(jìn)行放樣,即可得到導(dǎo)流板的安裝角度。

圖9 導(dǎo)流板的安裝角度(在水平對稱面內(nèi))

2.2 數(shù)值驗算及方案調(diào)整

在調(diào)整方案中,導(dǎo)流板數(shù)量n=5塊,并在每2塊導(dǎo)流板間,加裝1塊輔助導(dǎo)流板,共有9塊導(dǎo)流板,加裝位置在截面的長軸半徑上,R=2 120 mm,在短軸位置上,R'=1 782 mm;且按第二種等分方法,安裝導(dǎo)流板。計算的邊界條件:質(zhì)量進(jìn)口為260 t/h;出口壓力為5.5 kPa;蒸汽溫度約取52℃;管壁面假定為絕熱面;取軸線上的兩個面為對稱面。

計算后的結(jié)果,如圖10、圖11、圖12所示。導(dǎo)流板明顯改善了中心區(qū)域內(nèi)流場的狀態(tài),但在一些導(dǎo)流板的尾部,還顯示出局部流場的不均勻性。為此,可通過調(diào)整該處導(dǎo)流板位置,改善局部流場的不均勻性。

圖10 在水平對稱面上的流速分布(初步方案)

圖11 在垂直對稱面上的流速分布(初步方案)

圖12 進(jìn)入凝汽器前參考截面上的流速分布(初步方案)

通過分析流場的分布情況,對導(dǎo)流板進(jìn)行了調(diào)整。取消了導(dǎo)流板8、導(dǎo)流板9,并將導(dǎo)流板7放置在軸承座的正后方,以增強(qiáng)對旋渦的中心區(qū)域流場的改善。調(diào)整后,導(dǎo)流板的布置將更加合理。導(dǎo)流板的布置,如圖13所示。

圖13 導(dǎo)流板的布置(調(diào)整方案)

2.3 重新驗算設(shè)計數(shù)值

方案調(diào)整后,重新進(jìn)行了CFD[14]模擬。計算的結(jié)果,如圖14、圖15、圖16所示。比較調(diào)整前的方案,流速分布顯得更均勻,且有效壓縮了中心旋渦區(qū)域,使旋渦區(qū)域不再與管束區(qū)域相交,有效地改善了流場的分布狀態(tài)。因此,將調(diào)整后的方案,作為最終設(shè)計方案。

圖14 水平對稱面上的流速分布(調(diào)整后)

圖15 在垂直對稱面上的流速分布(調(diào)整后)

圖16 進(jìn)入凝汽器前參考截面上的流速分布(調(diào)整后)

3 導(dǎo)流裝置的強(qiáng)度與評估

整個導(dǎo)流裝置被置于汽輪機(jī)排汽口的高速氣流中,將受到蒸汽的沖擊。因此,在設(shè)計時,需考慮裝置自身的強(qiáng)度。導(dǎo)流板將受到流動方向上蒸汽沖擊力的作用。流場對各板的壓力分布,如圖17所示。

圖17 各塊板上受到的壓力分布

由于流場對導(dǎo)流板動態(tài)作用力的數(shù)值難以直接估計,故將每塊板受到的沖擊力放大10倍,作為靜態(tài)強(qiáng)度計算的載荷,使導(dǎo)流裝置具有足夠的強(qiáng)度,即便是被蒸汽流激發(fā)了振動,也有足夠的疲勞壽命[12,13]。從流場計算中,每塊板受到的沖擊力,如表1所示。

表1 各導(dǎo)流板受到的沖擊力

在10倍沖擊力的作用下,導(dǎo)流裝置位移0.7 mm,應(yīng)力最大位置發(fā)生在與筒體相連處,為14 MPa,這樣的應(yīng)力值,即是按汽輪機(jī)不調(diào)頻葉片[15-16]的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評定,其強(qiáng)度也是足夠的。導(dǎo)流裝置的位移及應(yīng)力分布,如圖18、圖19所示。

圖18 導(dǎo)流裝置在10倍沖擊力下的位移

圖19 導(dǎo)流裝置在10倍沖擊力下的應(yīng)力分布

4 結(jié) 語

在側(cè)向凝汽器的蒸汽進(jìn)口處,設(shè)置了導(dǎo)流裝置。采用CFD技術(shù),對設(shè)計方案進(jìn)行了計算,通過方案調(diào)整及重新計算,最終達(dá)到調(diào)整蒸汽進(jìn)口流場的目的,消除中心旋渦對管束的不利影響。采用有限元方法,對導(dǎo)流裝置的強(qiáng)度作出了評估和計算,在載荷放在10倍的計算條件下,該導(dǎo)流裝置依然保有足夠的強(qiáng)度。

[1]李子鈞.側(cè)向凝汽器進(jìn)口段流場計算及換熱管振動原因分析[J].電站輔機(jī),2016,37(3):6-9.

[2]熊用.電站凝汽器殼側(cè)流場的準(zhǔn)三維數(shù)值模擬[D].華中科技大學(xué),2007.

[3]曲建麗.電站凝汽的數(shù)值模擬研究與應(yīng)用[D].山東大學(xué),2007.

[4]張卓澄.大型電站凝汽器[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1993.

[5]倪振華.振動力學(xué)[M].西安:西安交通大學(xué)出版社,1988.

[6]周光坰,嚴(yán)宗毅.流體力學(xué)[M].北京:高等教育出版社,2006.

[7]Butterworth D.A model for heat transfer during threedimensional flow in tube bundles[C].Paper HX-66thInt.Heat Transfer Conf.,Aug.1978,Toronto 256-258.

[8]Al-sanea S,Rhodes N,Tatchell D G,Wilkinson T S.A Computer Model for Detailed Calculation of the Flow in Power Station Condenser[J].Inst.Chem.Eng.Symp.Ser.no75,1983 (75):70-80.

[9]Rehme K.Simple Method of Prediction Factors of Turbulent Flow in Noncircular Channels[J].Int.J.Heat Mass Transfer, 1973(16):933-950.

[10]鄧斌,陶文銓.管殼式換熱器殼側(cè)湍流流動與換熱的三維數(shù)值模擬[J].化工學(xué)報,2004,55(07):1053-1059.

[11]Standers For Steam Surface Condensers,HEI,10thEdition[S]. 2006.

[12]ASME Boiler and Pressure Vessel Code VIII-2 Alternative Rules[S].2013.

[13]丁伯民,ASME VIII壓力容器規(guī)范分析[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2014.

[14]Star CCM+用戶手冊[EB].CD-adapco公司.

[15]隋永楓,孫義岡.不調(diào)頻葉片設(shè)計改型研究[J].熱力透平,2010, 39(1):1-7.

[16]蔡頤年.蒸汽輪機(jī)[M].西安:西安交通大學(xué),2006.

Approach to Design Method of the Plate for Surface Condenser

CHEN Guang-yin LI Zi-jun
(Hangzhou Steam Turbine Auxiliary Equipment Co.Ltd.,Hangzhou 310021,Zhejiang,China)

In the axial exhaust steam turbine device,a strong and unstable vortex will appear in the front of the steam inlet of the condenser because of the blocking effect of the rear bearing seat on the steam flow.In order to prevent the vortex from being generated,the plate can be installed.For this reason,the design method of the inlet plate of the surface condenser is discussed,and the CFD software is used for the simulation calculation to verify the applicability of the design scheme.At the same time,the plate fixing device is designed,the strength of the fixing device is checked by the CAE function module,and the reliability of the design scheme is confirmed finally.

condenser;axial;surface;turbulence;plate;device;design;scheme

TK264.1+1

A

1672-0210(2017)02-0011-05

2017-02-17

陳光銀(1985-),男,工程師,畢業(yè)于浙江工業(yè)大學(xué),從事電站設(shè)備制造方面的技術(shù)管理工作。