某凝汽器喉部及連通管阻力分析

高良軍， 姜曉霞

（1.哈電股份中央研究院，哈爾濱150028；2.哈爾濱汽輪機(jī)廠輔機(jī)工程有限公司，哈爾濱150090）

0 引言

凝汽器[1]喉部及連通管結(jié)構(gòu)是凝汽器非常重要的一個(gè)結(jié)構(gòu)。承擔(dān)著汽機(jī)[2]排汽進(jìn)入凝汽器的連通作用。排汽通過喉部進(jìn)入凝汽器殼體，通過管內(nèi)的冷卻水將汽輪機(jī)排汽冷卻到設(shè)計(jì)溫度。喉部及聯(lián)通管結(jié)構(gòu)合理可以對進(jìn)入到凝汽器殼體的冷卻水起到很好的導(dǎo)流作用，保證殼體壓力降，提升凝汽器的運(yùn)行性能。目前針對越來越嚴(yán)峻的市場形勢，設(shè)備性能的優(yōu)化成為提升設(shè)備競爭力的主要手段。隨著機(jī)組容量的不斷增大，凝汽器殼體壓降的控制要求也越來越高。更大流量、更大容積的殼體，保證喉部及連通管流動(dòng)效率成了設(shè)計(jì)關(guān)鍵問題。本文針對傳統(tǒng)凝汽器喉部及連通管進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，旨在提升設(shè)備性能，增強(qiáng)市場競爭力。

1 方案概述

某項(xiàng)目根據(jù)業(yè)主要求需要針對凝汽器喉部進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造。為了評估結(jié)構(gòu)改造的合理性以及結(jié)構(gòu)阻力的合理性，針對某項(xiàng)目凝汽器喉部，設(shè)計(jì)人員優(yōu)化了3種結(jié)構(gòu)外形圖方案。方案二喉部尺寸在換熱管的長度方向縮短1102 mm，旁路接管深入長度不同，方案一3540 mm，方案二3590 mm，其余尺寸同方案一，方案三是在方案二的基礎(chǔ)上僅保留一個(gè)旁路管，旁路管深入長度為6655 mm。其中連通管一和連通管二的內(nèi)徑同為2600 mm，連通管彎管處結(jié)構(gòu)相同，計(jì)算區(qū)域?yàn)楹笏疫B通管的法蘭接口之間區(qū)域。

針對這3種凝汽器喉部分別進(jìn)行模擬分析，計(jì)算不同結(jié)構(gòu)喉部結(jié)構(gòu)汽阻。

圖1 凝汽器喉部及連通管的外形圖

同時(shí)模擬計(jì)算凝汽器后水室連通管水側(cè)阻力，為了方便計(jì)算阻力損失，本報(bào)告將后水室的兩個(gè)連通管分別建模，具體外形圖見圖2。

分析具體過程為：建?！褂肬nigraphics NX[3]建立喉部以及連通管計(jì)算的三維模型，針對3種不同喉部結(jié)構(gòu)分別建立三維模型。網(wǎng)格繪制——將三維模型導(dǎo)入ANSYS Icem中繪制計(jì)算網(wǎng)格[4]，采用六面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。計(jì)算——網(wǎng)格繪制完成后，使用CFX進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算收斂后保存計(jì)算結(jié)果。結(jié)果分析——采用CFX進(jìn)行結(jié)果處理分析[5]。分析3種喉部的結(jié)構(gòu)及連通管合理性以及工藝加工合理性[6]。為優(yōu)化喉部結(jié)構(gòu)，提升凝汽器運(yùn)行性能提供技術(shù)支撐。

2 結(jié)構(gòu)建模

根據(jù)凝汽器喉部外形結(jié)構(gòu)，采用全三維模擬計(jì)算，進(jìn)行流動(dòng)性能分析。具體過程為：使用Unigraphics NX建立水室計(jì)算的三維模型，導(dǎo)入ANSYS Icem中繪制計(jì)算網(wǎng)格，然后使用CFX進(jìn)行計(jì)算分析。建模時(shí)由于凝汽器喉部內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡單，沒有需要特別細(xì)化的網(wǎng)格部位，因此可以實(shí)現(xiàn)全尺寸建模計(jì)算。將3種結(jié)構(gòu)的喉部以及連通管[7]分別進(jìn)行全尺寸建模。

圖2 凝汽器喉部及連通管結(jié)構(gòu)模型

3 計(jì)算模型

采用ICEM對兩種水室結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格采用六面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格質(zhì)量在0.5以上。喉部模型相對內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為簡單，因此網(wǎng)格密度不用很大就可以達(dá)到較高的網(wǎng)格質(zhì)量[8]。在UG建立模型時(shí)，由于入口口徑較大，考慮到計(jì)算中可能產(chǎn)生的入口回流影響，增加喉部入口流道長度，保證計(jì)算中入口的回流比例，保證計(jì)算的收斂性[9]。

模型整體較為簡單，只需要細(xì)化低加殼體處的網(wǎng)格即可。因此總體建模過程較簡化。粗網(wǎng)格劃分后進(jìn)行了網(wǎng)格無關(guān)性初步驗(yàn)證計(jì)算。取得網(wǎng)格無關(guān)性計(jì)算結(jié)構(gòu)后，采取少量網(wǎng)格的模型進(jìn)行最終的計(jì)算。

模擬計(jì)算時(shí)采用κ－ε模型，考慮重力的影響，流體材料為蒸汽。在進(jìn)行喉部模擬時(shí)，每一組進(jìn)口給定總壓條件，總壓為0.004 22 MPa，焓值為2328.8 kJ/kg，出口邊界條件為排汽流量出口，流量G=758.315 t/h。假定為外壁絕熱，對3種喉部網(wǎng)格進(jìn)行了多次試算，保證了收斂特性[10]。

采用ICEM對連通管結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，模擬采用κε模型，流體材料為循環(huán)水，在進(jìn)行模擬時(shí)，每一組進(jìn)口給定總壓條件，總壓為0.3 MPa，出口邊界條件為流量出口，流量G=45 250 t/h。

4 結(jié)果分析

1）3種喉部結(jié)構(gòu)結(jié)果分析?？紤]重力加速度以及考慮黏性損失的情況下，計(jì)算殼體流場分布。詳見圖3，方案一與方案二流場分布一致。蒸汽從入口往下流動(dòng)[11]，低加和旁路管對流體造成擾流現(xiàn)象，旁路管的下方存在漩渦，高速區(qū)聚集在低加與旁路管處。這是由于流動(dòng)節(jié)流[12]造成的速度增大影響。方案三由于旁路管減少，節(jié)流效果不明顯，因此高速區(qū)域上移，在入口位置處。從分析結(jié)果來看，方案三的流場由于擾流的因素降低，流場相對更加均勻。表1給出凝汽器喉部3種方案的汽阻[13]計(jì)算結(jié)果。

從汽阻計(jì)算結(jié)果可以看出，方案二修正了喉部的殼體傾角，起到了良好的汽體導(dǎo)流作用，減少了由于大傾角導(dǎo)致的傾角處的渦流，因此流動(dòng)得到改善，壓損降低。方案二從壓損角度出發(fā)由于方案一結(jié)構(gòu)，而且方案二的設(shè)計(jì)縮小了結(jié)構(gòu)尺寸，提升了機(jī)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性。方案三在方案二的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上減少了1個(gè)旁路管，擾流因素減少，所以是3種結(jié)構(gòu)中壓損最小的一種結(jié)構(gòu)。旁路管的設(shè)計(jì)要視具體項(xiàng)目而定，本項(xiàng)目可以實(shí)現(xiàn)1個(gè)旁路管的設(shè)計(jì)，因此可以采用方案三的結(jié)構(gòu)形式。從模擬分析來看，方案三是最優(yōu)的適應(yīng)本項(xiàng)目的喉部設(shè)計(jì)方案。

圖3 凝汽器喉部流場分布圖

表1 三種方案汽阻計(jì)算結(jié)果對比 Pa

2）連通管結(jié)果分析?？紤]重力加速度以及考慮黏性損失的情況下，計(jì)算連通管內(nèi)流場分布情況，為防止計(jì)算過程中進(jìn)出口處有回流現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)計(jì)算模型加長了進(jìn)口與出口的長度。如圖4所見，連通管內(nèi)速度最大值出現(xiàn)在彎管處，其中連通管2內(nèi)的流線分布更為均勻，連通管1由于長度方向較短，彎管后流線存漩渦。

為了更好地比較連通管內(nèi)的阻力，計(jì)算過程中給出兩種方案，考慮重力的影響及不考慮重力的影響，通過表2的對比結(jié)果可知，重力的存在與否對阻力計(jì)算結(jié)果影響不大。

從水阻以及流場分析可以得出，連通管內(nèi)壓損要高，主要是由于水室流量較大，導(dǎo)致流通管內(nèi)流速不能過小，導(dǎo)致壓損較大[14]。

圖4 連通管內(nèi)的流線分布

5 結(jié)論

表2 連通管水側(cè)阻力結(jié)果對比 Pa

通過CFX流場計(jì)算得到了3種喉部結(jié)構(gòu)模型的流場分布及壓力損失情況，觀察喉部內(nèi)部流場分布的情況，方案一由于殼體傾角較大[15]，導(dǎo)致傾角處有渦流，造成壓損增大。而方案二模型改善了殼體傾角，可以較好地吻合流體的流向，流線分布均勻，壓力損失相對變??；而方案三在方案二的基礎(chǔ)上減少了1個(gè)旁路管，導(dǎo)致擾流因素減少，流場更加均勻，是3種方案中壓力損失最小的一種方案。本項(xiàng)目凝汽器喉部結(jié)構(gòu)可以采取方案三的結(jié)構(gòu)。而對連通管的模擬可以得出，連通管長度方向較短的，流體的延伸性不好，彎管流線存在旋渦，而長連通管由于流道增長，流線均勻性好，但是流通路徑變長，壓損變大。

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