工業(yè)汽輪機(jī)排汽缸氣動(dòng)性能與流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的數(shù)值研究*

楊雄民，劉盼年，毛漢忠，張軍輝

(杭州汽輪機(jī)股份有限公司，浙江 杭州 310022)

0 引 言

隨著工業(yè)汽輪機(jī)技術(shù)的發(fā)展，市場(chǎng)對(duì)汽輪機(jī)熱效率與汽耗等方面提出了更加苛刻的要求。早些年主要通過提高汽輪機(jī)的進(jìn)汽參數(shù)，改善熱力過程，優(yōu)化汽輪機(jī)通流葉片等方式來提高汽輪機(jī)的熱效率，并取得了豐碩的成果。目前工業(yè)汽輪機(jī)的進(jìn)汽參數(shù)與通流葉片的效率已經(jīng)達(dá)到了較高水平，在反動(dòng)式工業(yè)汽輪機(jī)中，壓力級(jí)直葉片的效率已經(jīng)到達(dá)90%以上，繼續(xù)優(yōu)化提升的空間已經(jīng)不大，因此如何精細(xì)組織汽輪機(jī)關(guān)鍵部位的三維流動(dòng)便成為當(dāng)前汽輪機(jī)優(yōu)化的重要方面。

在冷凝式汽輪機(jī)中，排汽缸是聯(lián)接低壓級(jí)與凝汽器的重要部件。排汽缸的主要作用是對(duì)汽輪機(jī)末級(jí)排汽進(jìn)行擴(kuò)壓，將汽輪機(jī)的余速動(dòng)能轉(zhuǎn)化為靜壓，在凝汽器喉部壓力不變的情況下，盡可能降低汽輪機(jī)末級(jí)葉片出口靜壓，進(jìn)而增加整機(jī)的可配焓降，提高熱效率。文獻(xiàn)[1]指出汽輪機(jī)的余速動(dòng)能為45 kJ/kg～60 kJ/kg，可見汽輪機(jī)的排汽損失是相當(dāng)可觀的;文獻(xiàn)[2]的研究表明：排汽缸損失系數(shù)每降低0.1，汽輪機(jī)整機(jī)效率可相應(yīng)提高0.15%左右，因此提高排汽缸的氣動(dòng)性能對(duì)提高汽輪機(jī)的熱效率與經(jīng)濟(jì)性具有重要意義。

多年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞著排汽缸的流動(dòng)結(jié)構(gòu)與氣動(dòng)優(yōu)化開展了大量的實(shí)驗(yàn)與數(shù)值研究。TINDELL與LIU等[3-4]研究了排汽缸進(jìn)口不同的來流條件對(duì)排汽缸氣動(dòng)性能的影響，研究結(jié)果表明:排汽缸的氣動(dòng)性能對(duì)來流條件具有高度敏感性;徐旭等人[5-6]運(yùn)用Fine/Turbo軟件求解三維粘性流場(chǎng)，分析了排汽缸內(nèi)部的渦系結(jié)構(gòu)，指出位于排汽缸上游的主要是通道渦和二次渦，位于排汽缸出口截面中心位置，其中通道渦是造成損失的重要來源;沈國(guó)平，陳洪溪等[7-9]采用實(shí)驗(yàn)方法對(duì)大型空冷汽輪機(jī)排汽缸的氣動(dòng)性能進(jìn)行了吹風(fēng)實(shí)驗(yàn)研究，指出了影響排汽缸性能的關(guān)鍵幾何參數(shù)，同時(shí)介紹了降低空冷機(jī)組排汽缸損失的相關(guān)措施，為空冷汽輪機(jī)的設(shè)計(jì)提供一定參考意義。

目前對(duì)排汽缸氣動(dòng)性能的研究主要集中在大型汽輪排汽缸中，而對(duì)工業(yè)汽輪機(jī)排汽缸氣動(dòng)性能的研究則相對(duì)較少，而工業(yè)汽輪機(jī)排汽的余速動(dòng)能占整機(jī)焓降比例更為可觀，提高排汽缸氣動(dòng)性能，對(duì)提高工業(yè)汽輪機(jī)的經(jīng)濟(jì)性具有重要意義。

本文將采用數(shù)值模擬方法，揭示工業(yè)汽輪機(jī)排汽缸內(nèi)部的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)與氣動(dòng)特性，為工業(yè)汽輪機(jī)排汽缸的優(yōu)化與開發(fā)提供依據(jù)。

1 數(shù)值仿真計(jì)算

1.1 排汽缸幾何模型

本研究根據(jù)某型鑄造式工業(yè)汽輪機(jī)排汽缸，進(jìn)行1∶1建模，排汽缸軸向進(jìn)汽，向下排汽。排汽缸模型主要由內(nèi)導(dǎo)流環(huán)與外導(dǎo)流環(huán)組成的擴(kuò)壓器以及由排汽缸內(nèi)壁圍成的蝸殼組成。排汽缸內(nèi)部流動(dòng)復(fù)雜，具有較強(qiáng)的二次流特性，為降低排汽缸出口不穩(wěn)定性以及回流對(duì)收斂效果的影響，在排汽缸出口加入延長(zhǎng)段。

排汽缸入口氣流具有較強(qiáng)的三維特性，而排汽缸的氣動(dòng)性能受入口氣流條件影響較大，因此本研究將汽輪機(jī)末三級(jí)低壓級(jí)葉柵與排汽缸進(jìn)行聯(lián)合數(shù)值計(jì)算，從而逼近排汽缸真實(shí)狀態(tài)下的入口氣流條件。排汽缸與低壓級(jí)葉柵聯(lián)合計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 排汽缸與低壓級(jí)葉柵模型

1.2 數(shù)值計(jì)算方法

本研究采用Icem軟件對(duì)排汽缸與低壓級(jí)進(jìn)行網(wǎng)格創(chuàng)建，其中排汽缸部分采用四面體網(wǎng)格，同時(shí)采用三棱柱網(wǎng)格對(duì)壁面進(jìn)行加密，排汽缸延長(zhǎng)段部分采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。本研究利用TurboGrid15.0對(duì)低壓級(jí)單通道生成六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，排汽缸計(jì)算域網(wǎng)格總數(shù)約8×106。

計(jì)算工質(zhì)采用IAPWS-97中的Steam3VL濕蒸汽模型。湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε兩方程模型，近壁區(qū)采用scalable壁面函數(shù)法，控制方程采用壓力-速度耦合的SIMPLE算法。排汽缸采用壓力入口，給定總壓、總溫與進(jìn)汽干度，出口給定平均靜壓，壁面為絕熱無滑移壁面。

本研究對(duì)排汽缸與三級(jí)低壓級(jí)葉柵聯(lián)合的計(jì)算模型展開分析，同時(shí)計(jì)算分析了排汽缸內(nèi)部低壓級(jí)持環(huán)法蘭、排汽缸肋板等附屬結(jié)構(gòu)對(duì)氣動(dòng)性能的影響。

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 排汽缸與低壓級(jí)葉柵聯(lián)合計(jì)算分析

一種排汽缸損失的計(jì)算方法如圖2所示。

圖2 排汽缸損失計(jì)算方法P0—低壓級(jí)組前的蒸汽壓力；P2—排汽缸進(jìn)口靜壓；Pkond—排汽缸的出口靜壓；ΔhG—排汽缸理想焓損失；C2Z—排汽缸進(jìn)口軸向速度

CFD計(jì)算的排汽缸損失曲線與西門子公司的排汽缸試驗(yàn)修正曲線如圖3所示。

圖3 排汽缸損失曲線

排汽缸試驗(yàn)修正曲線是西門子公司對(duì)排汽缸進(jìn)行風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的修正結(jié)果。排汽缸的損失隨著排汽缸進(jìn)口軸向速度的增加呈現(xiàn)先增加之后逐漸減小的趨勢(shì)，CFD計(jì)算結(jié)果與西門子公司的排汽缸試驗(yàn)修正曲線的規(guī)律性吻合良好，但其損失值小于試驗(yàn)修正曲線，這與實(shí)際當(dāng)中的排汽缸內(nèi)部存在諸多肋板與撐管結(jié)構(gòu)以及排汽缸內(nèi)壁為一粗糙表面等因素有關(guān)。

排汽缸內(nèi)部流動(dòng)的三維流線如圖4所示。

圖4 排汽缸內(nèi)三維流線

排汽缸內(nèi)部流動(dòng)的主要表現(xiàn)形式為旋渦運(yùn)動(dòng)，氣流經(jīng)低壓級(jí)葉柵進(jìn)入排汽缸，首先在擴(kuò)壓器中逆壓流動(dòng)，隨即在軸向翻轉(zhuǎn)，繼而折轉(zhuǎn)90°沿徑向流動(dòng)。氣流經(jīng)多次大角度折轉(zhuǎn)，在流動(dòng)過程中衍生出一對(duì)旋轉(zhuǎn)方向相反的大尺度旋渦，占據(jù)了排汽缸絕大部分空間。兩個(gè)大尺度旋渦在流動(dòng)過程中相互干涉、摩擦，產(chǎn)生能量損失，同時(shí)也增加了流動(dòng)的沿程損失。

位于擴(kuò)壓器及蝸殼內(nèi)部的X=0截面流線，與排汽缸延長(zhǎng)段出口流線如圖5所示。

圖5 排汽缸截面流線圖

由圖5(a)可以看出：延長(zhǎng)段中的一對(duì)大尺度旋渦在排汽缸水平中分面(X=0平面)位置便以形成，占據(jù)著大部分流動(dòng)空間，擴(kuò)壓器通道是極易產(chǎn)生流動(dòng)分離的關(guān)鍵部位，也是決定排汽缸氣動(dòng)性能的關(guān)鍵部件；從圖5(b)可以看出：氣流在整個(gè)延長(zhǎng)段通道內(nèi)均以一種渦對(duì)狀態(tài)流動(dòng)。

2.2 兩種排汽缸模型對(duì)比分析

兩種排汽缸模型分別為：Case1—排汽缸與低壓級(jí)組聯(lián)合計(jì)算模型；Case2—排汽缸內(nèi)加入了肋板與低壓級(jí)導(dǎo)葉持環(huán)法蘭等附屬結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型。

定義總壓損失系數(shù)為：

(1)

靜壓恢復(fù)系數(shù)為：

(2)

出口不均勻系數(shù)為：

(3)

在不同凝汽器壓力下，與低壓級(jí)組聯(lián)合計(jì)算的兩種排汽缸模型的氣動(dòng)性能參數(shù)如表(1～3)所示(表中：Ht—總焓；X—干度；Pt—總壓；P—靜壓)

排汽缸的氣動(dòng)性能受來流條件的影響很大，在不同的凝汽器壓力下，排汽缸的總壓損失系數(shù)與靜壓恢復(fù)系數(shù)差異較大。在進(jìn)汽參數(shù)不變，凝汽器壓力較低的情況下，排汽缸入口具有較大的軸向速度，靜壓恢復(fù)系數(shù)相對(duì)較高。隨著凝汽器壓力的升高，靜壓恢復(fù)能力開始減弱，同時(shí)排汽缸出口的不均勻系數(shù)增大，排汽缸出口的不均勻系數(shù)是反映氣流分布的重要參數(shù)，對(duì)凝汽器的換熱效果具有重大影響，排汽缸出口不均勻系數(shù)的增大會(huì)惡化凝汽器中的換熱效果。在Case1中凝汽器壓力由Pkond=0.09 bar變化到Pkond=0.28 bar過程中排汽缸出口不均勻系數(shù)增加了48.5%。

考慮了低壓級(jí)組導(dǎo)葉持環(huán)法蘭與排汽缸內(nèi)部肋板等附屬結(jié)構(gòu)的Case2模型在各工況下的總壓損失系數(shù)均高于Case1模型，排汽缸內(nèi)部的附屬結(jié)構(gòu)會(huì)增加流動(dòng)損失，降低靜壓恢復(fù)能力。排汽缸內(nèi)部肋板結(jié)構(gòu)對(duì)排汽缸中的大尺度旋渦具有一定的切割作用，在一定程度上會(huì)改善排汽缸出口流動(dòng)的均勻性。

表1 Pkond=9.0 kPa時(shí)排汽缸性能參數(shù)

表2 Pkond=12.0 kPa時(shí)排汽缸性能參數(shù)

表3 Pkond=15.0 kPa時(shí)排汽缸性能參數(shù)

3 結(jié)束語

針對(duì)一種鑄造式工業(yè)汽輪機(jī)排汽缸，本文研究了排汽缸內(nèi)部的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)與氣動(dòng)性能。研究發(fā)現(xiàn)：工業(yè)汽輪機(jī)排汽缸內(nèi)的流動(dòng)總體上為一種多元化的旋渦運(yùn)動(dòng)，從擴(kuò)壓器出口發(fā)展至排汽缸出口過程中，衍生出的一組大尺度，旋向相反的渦對(duì)是工業(yè)汽輪機(jī)排汽缸內(nèi)的典型旋渦結(jié)構(gòu)。排汽缸中的大折轉(zhuǎn)角流動(dòng)誘導(dǎo)了復(fù)雜的旋渦結(jié)構(gòu)，旋渦在發(fā)展過程中相互摩擦、摻混以及增加流動(dòng)沿程等因素是造成排汽缸損失的主要來源。

排汽缸中的持環(huán)法蘭、肋板等附屬結(jié)構(gòu)會(huì)加劇排汽缸流動(dòng)損失，排汽缸中的附屬結(jié)構(gòu)會(huì)使靜壓恢復(fù)系數(shù)降低約10%～20%。其中，合理的肋板布置可以改善排汽缸出口流動(dòng)的均勻性，有利于凝汽器的換熱效果。