汽輪機(jī)高壓抽口氣動(dòng)分析及結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)

平艷， 張曉東， 鐘主海

（東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司， 四川德陽(yáng)， 618000）

1 前言

現(xiàn)代社會(huì)對(duì)能源的需求不斷增大， 由此產(chǎn)生的能源危機(jī)也愈發(fā)嚴(yán)重， 對(duì)能源的綜合利用也開始得到更大程度的重視。 作為現(xiàn)代化國(guó)家重要?jiǎng)恿υO(shè)備的汽輪機(jī)， 提高其經(jīng)濟(jì)性對(duì)節(jié)約能源明顯具有重大的意義， 而在汽輪機(jī)中增加抽汽系統(tǒng)無疑是最具代表性的一種能源綜合利用方式， 如圖1所示。

圖1 抽汽回?zé)崾狡啓C(jī)

抽汽無論是用于回?zé)徇€是供熱都能有效地提高汽輪機(jī)效率以及能源利用率， 并且有效減少對(duì)環(huán)境的污染。 為提高汽輪機(jī)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性并滿足生活和工業(yè)用熱的要求， 現(xiàn)代大型蒸汽輪機(jī)普遍采用抽汽回?zé)岷驮贌嵫h(huán)系統(tǒng)。 因此， 汽輪機(jī)組的抽汽系統(tǒng)對(duì)機(jī)組和電廠的熱經(jīng)濟(jì)性起著重要作用。 但是較大的抽汽量必然會(huì)引起汽輪機(jī)抽汽縫隙附近的通流部分、 抽汽縫隙和抽汽腔室內(nèi)部以及連接管之間的流動(dòng)參數(shù)在徑向和周向分布不均勻。 這種不均勻分布會(huì)改變抽汽縫隙附近汽輪機(jī)級(jí)的流動(dòng)狀態(tài)， 并最終改變汽輪機(jī)抽汽縫隙附近級(jí)效率， 會(huì)造成汽輪機(jī)的安全隱患。 從提高機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性和安全性等方面考慮， 對(duì)汽輪機(jī)抽汽系統(tǒng)的抽汽縫隙、 抽汽腔室和連接管內(nèi)的流場(chǎng)進(jìn)行研究是非常有必要的。 氣流從主流流道通過抽汽縫隙進(jìn)入抽汽腔室， 最后由連接管流出。 由于抽汽縫隙軸向?qū)挾纫话爿^小， 氣流經(jīng)過它的流動(dòng)速度較大， 因此氣流具有很大的動(dòng)能， 在抽汽腔室經(jīng)過一定膨脹進(jìn)入直徑較小的連接管， 在抽汽腔室與連接管的連接區(qū)域， 氣流經(jīng)過摩擦、 渦流和轉(zhuǎn)向等阻力作用又會(huì)產(chǎn)生一部分壓力損失。 要提高機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性，要求高壓抽口具有良好的氣動(dòng)性能， 盡可能降低整個(gè)過程中的總壓能量損失。

本文以某機(jī)組的高壓抽口為研究對(duì)象， 采用商業(yè)CFD 軟件CFX 分析技術(shù)， 計(jì)算分析了影響高壓抽口的各個(gè)因素， 得到提高其氣動(dòng)性能的有效措施， 為高中壓抽口結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了有益參考。

2 計(jì)算模型、 網(wǎng)格劃分方式及數(shù)值方法

2.1 計(jì)算模型

采用三維建模軟件對(duì)高壓抽口建立CFD 模型， 與實(shí)物比例為1:1， 抽汽縫隙、 腔室及連接管結(jié)構(gòu)與實(shí)物保持一致。 在進(jìn)行抽口數(shù)值計(jì)算時(shí)，以抽口所在級(jí)的動(dòng)葉出口延長(zhǎng)段為計(jì)算域進(jìn)口，以連接管出口的延長(zhǎng)段為計(jì)算域出口， 計(jì)算域示意圖如圖2 所示。

圖2 抽口計(jì)算域示意圖

2.2 網(wǎng)格劃分

采用商業(yè)軟件Ansys Meshing 對(duì)高壓抽口進(jìn)行網(wǎng)格劃分。 由于抽口結(jié)構(gòu)的不規(guī)則性， 分析網(wǎng)格采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格， 并在網(wǎng)格數(shù)量和質(zhì)量上進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性的驗(yàn)證， 整體計(jì)算域的網(wǎng)格數(shù)目在4.5×106左右， 滿足分析軟件的網(wǎng)格要求。

2.3 數(shù)值方法

計(jì)算普遍采用雷諾時(shí)均方程N(yùn)avier-Stokes 方程組， 并且應(yīng)用恰當(dāng)?shù)耐牧饔?jì)算模型對(duì)方程組進(jìn)行封閉。 采用ANSYS CFX13.0 對(duì)高壓抽口網(wǎng)格進(jìn)行RANS 方程的數(shù)值求解， 湍流模型為SST 剪切輸運(yùn)模型， SST 模型考慮了湍流剪切應(yīng)力， 不會(huì)對(duì)渦流黏度造成過度預(yù)測(cè)， 特別適用于要求高精度邊界層的模擬。 離散格式為高精度格式， 壁面處理方式選擇絕熱無滑移光滑壁面。 計(jì)算工質(zhì)使用CFX 內(nèi)嵌的的高精度水蒸氣數(shù)據(jù)庫(kù)——IAPWS97，高壓抽汽工作于過熱蒸汽區(qū)， 在計(jì)算過程中， 計(jì)算域進(jìn)口給定總壓、 總焓， 并按照進(jìn)口面均勻處理， 出口邊界條件根據(jù)機(jī)組整體方案取流量邊界。分析在高性能計(jì)算服務(wù)器上完成。 本次研究重點(diǎn)關(guān)注流量、 殘差及總壓損失系數(shù)的收斂曲線。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 抽汽腔室與連接管過渡

從計(jì)算域進(jìn)口到出口的總壓損失系數(shù)ψ 為1.9%， 從計(jì)算結(jié)果來看該高壓抽口的氣動(dòng)性能有相對(duì)偏差。 圖3 給出了高壓抽口在周向面的總壓和流速分布圖， 從圖中可以看出， 在抽汽腔室與連接管銜接的區(qū)域存在速度突變現(xiàn)象， 形成局部漩渦造成明顯的壓力損失。

圖3 高壓抽口特征截面上總壓等值線和流線分布圖

統(tǒng)計(jì)從抽汽腔室出口至連接管出口存在較大的總壓壓損， 約占總壓損失的37%， 因此需在該區(qū)域增加一個(gè)過渡腔室， 優(yōu)化流動(dòng)過程進(jìn)而降低壓損。 計(jì)算模型如圖4 所示。 （本文以下的研究中所有的總壓損失均由占原始模型總壓損失的百分比表示。）

圖4 高壓抽口抽汽腔室和連接管間增加過渡腔室示意圖

圖5 為增加過渡腔室后特征截面處的總壓等值線和流線分布圖。

圖5 高壓抽口特征截面總壓等值線和流線分布圖

從圖5 的總壓和流速分布圖來看， 流動(dòng)明顯更為穩(wěn)定， 過渡腔室與抽汽管的銜接部分速度突變現(xiàn)象也得到有效改善。 統(tǒng)計(jì)高壓抽汽優(yōu)化模型CFD 計(jì)算結(jié)果， 抽汽總壓損失約是施工模型的51%。 因此， 在抽汽腔室與連接管之間增加一個(gè)過渡腔室是改善高壓抽口氣動(dòng)性能的有效途徑。

3.2 抽汽腔室的影響

圖6 給出了原始模型子午面上的總壓及流線分布圖。

圖6 高壓抽口特征截面總壓等值線和流線分布圖

從圖6 可以看出， 在抽汽腔室內(nèi)有明顯漩渦，從而在抽汽腔室內(nèi)部流場(chǎng)形成明顯的壓力梯度，造成相應(yīng)的總壓能量損失。 統(tǒng)計(jì)原始模型抽汽腔室段的總壓損失， 約占全部總壓損失的34%， 因此抽汽腔室內(nèi)的流動(dòng)對(duì)高壓抽口的性能具有較大的影響。 將抽汽縫隙放在抽汽腔室的對(duì)稱位置，保證相同的腔室流速， 將原始模型不規(guī)則的抽汽腔室形狀改變?yōu)橐?guī)則的扁橢圓、 方形、 圓形和立橢圓4 種結(jié)構(gòu)， 其二維示意圖如圖7 所示。

圖7 高壓抽口不同抽汽腔室二維示意圖

圖8 為不同抽汽腔室內(nèi)的總壓等值線分布圖。

圖8 高壓抽口不同抽汽腔室總壓等值線分布圖

從腔室內(nèi)部壓力等值線分布來看， 在相同流速條件下， 扁橢圓和方形腔室內(nèi)壓力分布比較均勻， 圓形和立橢圓形抽汽腔室內(nèi)部流場(chǎng)存在較大的壓力梯度。

圖9 為連接管內(nèi)總壓等值線分布圖。

圖9 不同抽汽腔室高壓抽口內(nèi)的連接管內(nèi)總壓等值線分布圖

從連接管內(nèi)的總壓等值線分布圖來看， 扁橢圓和方形腔室形狀的高壓抽口連接管內(nèi)的總壓等值線分布比較均勻， 而圓形腔室的高壓抽口連接管內(nèi)的流場(chǎng)開始出現(xiàn)明顯的壓力梯度， 立橢圓形狀的抽汽腔室壓力梯度最大， 氣動(dòng)性能也最差。

圖10 為不同抽汽腔室形狀的高壓抽口特征截面處的總壓等值線分布圖。

圖10 不同抽汽腔室的高壓抽口特征截面處總壓等值線分布圖

從圖10 可以看出， 從抽汽腔室流入抽出的汽體在進(jìn)入連接管的過程中， 方形和扁橢圓形抽汽腔室的高壓抽口總壓能量損失較小， 相對(duì)來說，方形腔室形狀的高壓抽口氣動(dòng)性能明顯占優(yōu)， 而圓形和立橢圓形抽汽腔室的高壓抽口在流動(dòng)過程中出現(xiàn)較為明顯的壓力梯度， 進(jìn)而造成相對(duì)較大的總壓能量損失。

圖11 為不同抽汽腔室的高壓抽口特正截面處的流線分布圖。

圖11 不同抽汽腔室的高壓抽口特征截面處流線分布圖

從圖11 的流線分布圖來看， 在抽汽腔室從方形到扁橢圓、 圓形和立橢圓的形狀變化過程中，連接管的流速逐漸變大， 這也使高壓抽口的能量損失逐漸變大。

而對(duì)總壓能量損失的統(tǒng)計(jì)表明， 抽汽腔室為扁橢圓時(shí)， 總壓損失約占原始模型的47.7%； 抽汽腔室為方形時(shí)， 總壓損失約占原始模型的45.7%； 抽汽腔室為圓形時(shí)， 總壓損失約占原始模型的50%； 抽汽腔室為立橢圓時(shí)， 總壓損失約占原始模型的55%。 綜合以上， 將抽汽腔室由不規(guī)則修改為規(guī)則形狀能夠明顯體改高壓抽口的氣動(dòng)性能， 尤其方形腔室和扁橢圓腔室形狀在降低抽口總壓損失方面效果相對(duì)更好。

3.3 抽汽縫隙流速、 形狀及位置影響

統(tǒng)計(jì)原始模型抽口縫隙進(jìn)口到出口的總壓損失， 約占全部總壓損失的25%， 因此抽汽縫隙對(duì)高壓抽口的氣動(dòng)性能具有較大的影響。 本文對(duì)抽汽縫隙的研究以方形抽汽腔室形狀為研究對(duì)象。

圖12 為不同抽汽縫隙軸向?qū)挾鹊亩S示意圖。

圖12 不同抽汽縫隙進(jìn)入抽汽腔室的流速

軸向?qū)挾雀淖円疬M(jìn)入抽汽腔室的流速不同，對(duì)氣動(dòng)性能的影響也不同。 總壓損系數(shù)隨抽汽縫隙進(jìn)入抽汽腔室流速的變化趨勢(shì)如圖13 所示。

圖13 總壓損失隨抽汽縫隙進(jìn)入抽汽腔室流速變化趨勢(shì)圖

從圖13 中可以看出， 總壓損隨著抽口段流速的增大逐漸增加， 當(dāng)抽口段流速大于50 m/s 時(shí)，壓力損失增加較快， 氣動(dòng)性能明顯變差。

圖14 為抽汽縫隙在抽汽腔室不同位置處的二維示意圖。

圖14 高壓抽口不同抽汽縫隙位置二維示意圖

圖15 為不同抽汽縫隙位置的高壓抽口特征截面處的總壓等值線分布圖。

圖15 不同抽汽縫隙位置的高壓抽口連接管總壓等值線分布圖

從圖15 可以看出， 抽汽縫隙處于抽汽腔室的對(duì)稱位置時(shí)， 連接管內(nèi)的流場(chǎng)流動(dòng)較為穩(wěn)定， 壓力分布均勻， 當(dāng)抽汽縫隙偏離抽汽腔室的對(duì)稱位置時(shí)， 連接管內(nèi)出現(xiàn)明顯的壓力梯度， 尤其是抽汽縫隙距離進(jìn)汽側(cè)較近時(shí)， 這種氣動(dòng)性能變差的趨勢(shì)更為明顯。

抽汽縫隙處于抽汽腔室不同位置處的計(jì)算結(jié)果如圖16 所示。

圖16 總壓損失隨抽汽縫隙位置變化趨勢(shì)圖

從圖16 可以看出， 抽口段設(shè)在抽汽腔室中心附近總壓損失最小， 氣動(dòng)性能最好。

圖17 為抽汽縫隙不同形狀的二維示意圖。

圖17 不同抽汽縫隙形狀的二維示意圖

圖18 為不同抽汽縫隙形狀的高壓抽口連接管總壓等值線分布圖。

從圖18 可以看出： 抽汽縫隙偏向出汽側(cè)時(shí)，主流通道通過抽汽縫隙后壓力損失明顯變大； 抽汽縫隙位于對(duì)稱位置處， 壓力損失稍微降低； 抽汽縫隙偏向進(jìn)汽側(cè)時(shí)， 主流流道進(jìn)入抽汽縫隙然后流入抽汽腔室， 最終進(jìn)入連接管的整個(gè)過程總壓能量損失明顯降低， 氣動(dòng)性能最為理想。

不同抽汽縫隙形狀的計(jì)算結(jié)果如圖19 所示。

從圖19 可以看出， 抽口段由向出汽側(cè)偏轉(zhuǎn)到向進(jìn)汽側(cè)偏轉(zhuǎn)的過程中壓損逐漸減小， 其中在向進(jìn)汽側(cè)偏轉(zhuǎn)的過程中角度在0~30°變化時(shí)總壓收益最為明顯， 氣動(dòng)性能相對(duì)較好。

4 結(jié)論

通過以上計(jì)算分析， 可以得到以下結(jié)論：

（1）抽汽腔室與連接管之間的連接區(qū)域?qū)φ麄€(gè)高壓抽口的氣動(dòng)性能的影響很大， 降低兩者之間的速度突變程度， 能夠有效提高抽口整體的氣動(dòng)性能；

（2）抽汽腔室形狀的選擇對(duì)抽汽部分的氣動(dòng)性能影響也比較大， 因抽汽腔室的不規(guī)則性而造成的整個(gè)高壓抽口內(nèi)的流場(chǎng)分布的不均勻性及連接管內(nèi)的漩渦會(huì)影響整個(gè)高壓抽口的氣動(dòng)性能變差；反之， 規(guī)則形狀的抽汽腔室能夠明顯改善抽口的氣動(dòng)性能， 并且通過調(diào)整抽汽腔室的形狀以控制與連接管連接部分的流速， 能夠?qū)⒏邏撼榭诘臍鈩?dòng)性能得到很大程度上的優(yōu)化；

（3）抽汽縫隙的形狀、 位置以及進(jìn)入抽汽腔室的流速均會(huì)對(duì)整個(gè)抽口的氣動(dòng)性能產(chǎn)生很大影響，根據(jù)流場(chǎng)流動(dòng)特性調(diào)整抽汽縫隙會(huì)使高壓抽口的氣動(dòng)性能得到有效提升。