蒸汽輪機(jī)抽汽口流場的數(shù)值模擬研究

張引弦

（海軍裝備部，北京 100036）

0 引言

現(xiàn)階段中，為有效提升蒸汽輪機(jī)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，技術(shù)人員通常在機(jī)組中使用回?zé)崤c供熱抽汽系統(tǒng)，這樣雖能夠提高蒸汽輪機(jī)的整體效率，降低環(huán)境污染，但同時也會造成通流段的相關(guān)流動參數(shù)分布的不均勻，進(jìn)而影響機(jī)組抽汽口區(qū)域的強(qiáng)度與正常運(yùn)行效率，最終降低整個機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。所以，對抽汽口流場的變化情況及影響因素進(jìn)行深入研究，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 研究背景概述

前蘇聯(lián)學(xué)者針對蒸汽輪機(jī)抽汽口的流場進(jìn)行了大量的理論、實(shí)驗(yàn)分析并取得了一定的成果，但受到研究手段與實(shí)驗(yàn)條件的限制這些得出的結(jié)論只適用于抽汽口中某段流場變化，而針對抽汽道內(nèi)部結(jié)構(gòu)的分析理論尚缺乏。目前，我國學(xué)者針對蒸汽輪機(jī)抽汽口也進(jìn)行了大量的研究，其中一些學(xué)者的研究結(jié)論表明，蒸汽輪機(jī)在運(yùn)行中出現(xiàn)的大多數(shù)葉片事故位于區(qū)域透平級中，但在實(shí)際應(yīng)用中，受到抽汽口幾何形狀和其他因素的限制導(dǎo)致了現(xiàn)今仍缺乏對蒸汽輪機(jī)抽汽流道的科學(xué)分析。因此，利用數(shù)值模擬方法，針對抽汽口流場開展了深入分析，并對比試驗(yàn)得出結(jié)果，從而驗(yàn)證了蒸汽輪機(jī)抽汽口流場研究的科學(xué)性。

2 抽氣口構(gòu)造及特性參數(shù)選擇

蒸汽輪機(jī)抽汽道內(nèi)流體流速相對較小（其中，國家給定的規(guī)范值一般要求其抽汽縫內(nèi)的流體流速不得大于50 m/s），一般來說，按照其流動性質(zhì)抽汽道內(nèi)流體可被定性為不可壓縮牛頓型流體及三元絕熱定常流。綜合考慮機(jī)組通流部分的幾何特征后，本文決定采用以機(jī)組主軸為Z軸的圓柱坐標(biāo)系。其中，通流部分的尺寸大小以及形狀特征如圖1所示。

圖1 汽輪機(jī)通流部分抽汽段示意圖

如圖2所示，本次模擬的計(jì)算域主要包括7個控制截面，其中，1-1到4-4為通流部分計(jì)算截面，2-3到5-5是抽汽縫截面，5-5到6-6是集汽室，6-6到7-7是抽汽管口。為更加精確地反映實(shí)際流體流場的情況，在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時使用“隔離法”，針對流場復(fù)雜區(qū)域通過網(wǎng)格加密來保證網(wǎng)格劃分的合理性。關(guān)于本次計(jì)算模型的邊界條件，除了固體壁面使用方程外，其余邊界均借助函數(shù)被設(shè)置為第二類邊界條件。在對流場進(jìn)行計(jì)算時，首先應(yīng)確定機(jī)組的通流部分及斷面1-1處的初始壓力和其速度場的情況，在確定截面初始值時，可按照渦輪機(jī)的實(shí)際出口壓力來確定，截面4-4處出口壓力場和速度值被設(shè)定為第二類邊界條件，7-7斷面壓力值為出口定值壓力，通過控制其數(shù)值的大小來對機(jī)組抽油量進(jìn)行調(diào)整。

圖2 計(jì)算域和控制截面簡圖

3 計(jì)算結(jié)果分析

基于前文所述的研究步驟和方法，對選定蒸汽輪機(jī)抽汽口的流場進(jìn)行模擬，為論證數(shù)值模擬和實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果的相符性，把本次數(shù)值計(jì)算模型中的各區(qū)域截面初始壓力與流量參數(shù)設(shè)置成相同值?？紤]到蒸汽輪機(jī)抽汽口幾何形狀的復(fù)雜性，本文對流場進(jìn)行分段分析，計(jì)算結(jié)果及分析如下所示。

3.1 計(jì)算結(jié)果

（1）通流部分流場結(jié)構(gòu)。本次數(shù)值模擬得出的通流部分頂部和抽汽縫內(nèi)的速度場，圖略。從圖中能夠看出，機(jī)組通流部分的頂端汽流速度變化情況為先增加，之后向抽汽縫轉(zhuǎn)移時開始逐漸降低，抽汽縫進(jìn)口前壁區(qū)域產(chǎn)生一個明顯的慣性渦區(qū)，其一直從出流的主流方向直至后透平級。此外，還可以看出形成的旋轉(zhuǎn)渦區(qū)基本充滿了整個抽汽縫，此時流動阻力值最大。在進(jìn)行抽汽時，蒸汽輪機(jī)抽汽口流場內(nèi)的其他參數(shù)也會出現(xiàn)動態(tài)變化。

抽汽口出的徑向分速度的值從葉根處到葉頂處逐漸變大，且增幅較為明顯，另外，機(jī)輪葉根處所具有的徑向流動會進(jìn)一步增加該區(qū)域內(nèi)的二次流厚度，導(dǎo)致機(jī)組抽汽口區(qū)域內(nèi)的流動損失增加。當(dāng)葉高比y/l的值約0.7時，氣流的靜壓與速度隨葉高變化并不明顯，當(dāng)葉高比y/l的值>0.7時，氣流的靜壓與速度隨著葉高的增加而下降，在葉高比y/l的值>0.95時，甚至出現(xiàn)了氣流導(dǎo)流的現(xiàn)象，抽汽口處靜壓值達(dá)到最高值。這表明了抽汽口后級的靜葉頂部會產(chǎn)生一個漩渦較大的回流區(qū)，其直接導(dǎo)致該級的工作運(yùn)行性能降低。抽汽原因會導(dǎo)致抽汽口通流區(qū)域內(nèi)的某些參數(shù)發(fā)生改變，進(jìn)而導(dǎo)致相關(guān)參數(shù)軸向的分布紊亂。

（2）抽汽縫內(nèi)流場。從上文的分析中可以得知，抽汽縫內(nèi)流場的變化不僅受其自身幾何形狀影響，還會受到抽汽縫和通流部分與集汽室結(jié)合處的流場影響。

首先，在抽汽縫進(jìn)口處形成漩渦區(qū)，該形成的漩渦很大概率會擴(kuò)散到機(jī)組集汽室，再者，機(jī)組抽汽縫進(jìn)出口方向有氣流參數(shù)分布紊亂的情況，且速度在進(jìn)口處較大而在出口處較小。另外，抽汽縫內(nèi)的氣流參數(shù)在抽汽口區(qū)域的不均勻分布程度大于頂部。

（3）集汽室內(nèi)的流場。根據(jù)流體力學(xué)的相關(guān)理論可以得知，蒸汽輪機(jī)集汽室的流場變化對汽缸的熱應(yīng)力具有較大影響，類似于抽汽縫內(nèi)流體流場變化情況，集汽室的流場也易受研究區(qū)域的幾何特性和工況參數(shù)的影響，筆者在此以選取的某蒸汽輪機(jī)組集汽室為例計(jì)算其流場變化情況。當(dāng)機(jī)組內(nèi)的蒸汽通過扇形射流方式到達(dá)機(jī)組集汽室時，主要集中于外壁，進(jìn)入的射流經(jīng)過側(cè)壁和內(nèi)壁的流動最終出現(xiàn)兩個較大的旋轉(zhuǎn)漩渦，產(chǎn)生的漩渦因?yàn)榕c機(jī)組內(nèi)部氣流方向相反故產(chǎn)生反向的螺旋渦，機(jī)組氣缸的另一側(cè)也會出現(xiàn)相同的現(xiàn)象。此外，當(dāng)在實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的兩個漩渦強(qiáng)度大小不一且高度值變化或抽汽縫位置出現(xiàn)改變時，在集汽室內(nèi)形成的兩個漩渦會合并為一個。

3.2 實(shí)例分析

本次進(jìn)行的數(shù)值模擬是基于單管抽汽和軸向進(jìn)汽來開展的，為論證數(shù)值模擬結(jié)果的科學(xué)性，采用某試驗(yàn)臺的某抽汽口進(jìn)行試驗(yàn)。其中，該抽汽口的進(jìn)汽偏離軸向16°，抽氣量為33%。將壓力傳感器設(shè)置于選取機(jī)組抽汽縫后壁，并對測量點(diǎn)處的靜壓沿圓周變化進(jìn)行測量。試驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)與進(jìn)行的數(shù)值模擬結(jié)果，抽汽口區(qū)域的實(shí)際流動規(guī)律與實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有相同的變化趨勢，且參數(shù)峰谷值與實(shí)驗(yàn)值大小基本一致，在綜合考慮實(shí)驗(yàn)過程誤差、實(shí)驗(yàn)條件誤差后，證明了對蒸汽輪機(jī)抽汽口流場的數(shù)值模擬方法的可行性。

4 結(jié)論

利用數(shù)值模擬對蒸汽輪機(jī)抽汽口流場進(jìn)行數(shù)值模擬是可行的，通過數(shù)值模擬得出的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)所得出的結(jié)果相一致，受到抽汽原因的影響，在機(jī)組抽汽口通流部分的抽縫處的流場會出現(xiàn)漩渦區(qū)，且此處的流體流動損失值是最大的。