一種工業(yè)汽輪機(jī)大型排汽缸的結(jié)構(gòu)優(yōu)化與氣動(dòng)分析

劉盼年 顧小玲 王紅梅 盧紅遠(yuǎn) 馬曉飛

摘 要：針對(duì)一種工業(yè)汽輪機(jī)大型焊接式排汽缸，為降低流動(dòng)損失，提高氣動(dòng)性能，對(duì)擴(kuò)壓環(huán)的后段擴(kuò)張角進(jìn)行了優(yōu)化，同時(shí)對(duì)排汽缸的多種結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案進(jìn)行了建模與數(shù)值仿真分析，揭示了排汽缸內(nèi)部的流場結(jié)構(gòu)與損失機(jī)理。研究結(jié)果表明，擴(kuò)壓環(huán)的后擴(kuò)張角對(duì)排汽缸的氣動(dòng)性能具有重大影響，大小合理的后擴(kuò)張角可以有效避免流動(dòng)分離，從而降低流動(dòng)損失，提高排汽缸的氣動(dòng)性能。

關(guān)鍵詞：排汽缸;結(jié)構(gòu)優(yōu)化;氣動(dòng)性能;數(shù)值仿真

0 ? ?引言

排汽缸是連接汽輪機(jī)低壓膨脹區(qū)段與凝汽器的關(guān)鍵部件，具有高氣動(dòng)性能的排汽缸可以有效回收汽輪機(jī)低壓級(jí)的余速動(dòng)能，將其轉(zhuǎn)化為靜壓，從而增加機(jī)組出力，提高熱效率。

有研究表明，大型汽輪機(jī)排汽缸入口的余速動(dòng)能占到整機(jī)等熵焓降的1%～2%，排汽缸的總壓損失系數(shù)每降低0.1，汽輪機(jī)整機(jī)熱效率約增加0.15%[1]。目前，國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)大型汽輪機(jī)排汽缸的結(jié)構(gòu)優(yōu)化進(jìn)行了多項(xiàng)研究，魏春枝等人[2]通過數(shù)值仿真手段對(duì)排汽缸擴(kuò)壓環(huán)中的流動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)計(jì)算研究，其研究表明擴(kuò)壓環(huán)存在一個(gè)最佳擴(kuò)張角，能降低流動(dòng)損失。徐旭等人[3]通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出了排汽缸內(nèi)的多種旋渦結(jié)構(gòu)，認(rèn)為通道渦的尺度最大，是引起流動(dòng)損失的主要因素。

本文針對(duì)一種工業(yè)汽輪機(jī)大型排汽缸的擴(kuò)壓環(huán)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化與分析，并采用數(shù)值仿真方法進(jìn)行了多方案的對(duì)比分析與研究。

1 ? ?排汽缸仿真計(jì)算

1.1 ? ?排汽缸模型

在數(shù)值計(jì)算中，根據(jù)杭州汽輪機(jī)股份有限公司某大型工業(yè)汽輪機(jī)排汽缸原型，進(jìn)行1：1建模，排汽缸的通流型式為軸向進(jìn)汽、向下排汽。在數(shù)值建模中，對(duì)實(shí)際的排汽缸模型進(jìn)行了簡化處理，省略了排汽缸內(nèi)部的支撐管路與肋板等結(jié)構(gòu)。數(shù)值計(jì)算中的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)壁圍成的渦殼組成。

受上游低壓級(jí)組的影響，排汽缸入口速度呈不均勻分布，由相關(guān)研究成果可知，排汽缸入口速度分布是影響排汽缸氣動(dòng)性能的關(guān)鍵因素。因此，為模擬真實(shí)的流動(dòng)狀況，在排汽缸進(jìn)口加入低壓級(jí)組末級(jí)葉柵（其中導(dǎo)葉數(shù)量為50只，動(dòng)葉數(shù)量為39只），進(jìn)行低壓級(jí)葉柵與排汽缸聯(lián)合的數(shù)值計(jì)算。排汽缸與低壓級(jí)組末級(jí)葉柵的模型分別如圖1、圖2所示。

1.2 ? ?結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

在工業(yè)汽輪機(jī)運(yùn)行過程中，排汽缸的氣動(dòng)性能受多種因素影響，其中主要包括汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速、流量，排汽缸入口速度分布，擴(kuò)壓器及渦殼結(jié)構(gòu)等。

本次數(shù)值計(jì)算中，保持排汽缸入口速度分布，渦殼結(jié)構(gòu)尺寸，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速、流量以及排汽缸入口干度等參數(shù)不變，通過改變擴(kuò)壓器外環(huán)后半段的擴(kuò)張角度（以下簡稱“后擴(kuò)張角”），探究其對(duì)排汽缸氣動(dòng)性能與流場結(jié)構(gòu)的影響。本次計(jì)算中，在原型排汽缸的基礎(chǔ)上，將擴(kuò)壓器外環(huán)的后擴(kuò)張角分別增加10°與20°后進(jìn)行研究，不同的擴(kuò)壓器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2 ? ?網(wǎng)格創(chuàng)建與邊界條件

2.1 ? ?網(wǎng)格創(chuàng)建

網(wǎng)格創(chuàng)建中，排汽缸流體域采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，并在壁面進(jìn)行加密;排汽缸出口延長段部分采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格均由ICEM生成;末級(jí)葉柵單流道網(wǎng)格采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，在TurboGrid15.0中生成，并在CFX-Pre中運(yùn)用Turbomachinery模塊組合成全通道網(wǎng)格。排汽缸模型的網(wǎng)格總數(shù)約800萬。

2.2 ? ?邊界條件

計(jì)算工質(zhì)選用IAPWS-97中的Sream3VI濕蒸汽模型，湍流模型選用k-ε 兩方程模型。進(jìn)口給定總壓P1t=30.386 kPa

（P1t=0.303 86 bar），總溫T=342.53 K，干度x=0.918 4，出口給定流量m=21.0 kg/s，動(dòng)葉轉(zhuǎn)速設(shè)定為5 650 r/min。

3 ? ?結(jié)果分析

定義排汽缸的總壓損失系數(shù)與靜壓恢復(fù)系數(shù)如下：

進(jìn)入排汽缸中的流體，在擴(kuò)壓器與渦殼中流動(dòng)擴(kuò)壓，隨后進(jìn)入延長段。在延長段中部區(qū)域，流體已充分發(fā)展，因此在本計(jì)算中選取延長段的中截面作為排汽缸出口面進(jìn)行研究分析。

為方便說明，定義原型排汽缸為實(shí)例1，在原型排汽缸基礎(chǔ)上，擴(kuò)壓器后擴(kuò)張角增大10°的情況為實(shí)例2，增大20°的情況為實(shí)例3。3種排汽缸的三維流線圖如圖4所示。

排汽缸中復(fù)雜的腔體結(jié)構(gòu)以及流體的大折轉(zhuǎn)角流動(dòng)，形成了各種形式的流動(dòng)分離，使得排汽缸內(nèi)的流動(dòng)整體呈現(xiàn)出一種多元化的旋渦運(yùn)動(dòng)。在排汽缸中，主要存在兩個(gè)具有較大渦量的旋渦，一個(gè)是在擴(kuò)壓器出口形成的旋渦1，另一個(gè)是在擴(kuò)壓器背弧位置形成的旋渦2，如圖4所示，兩個(gè)旋渦幾乎占據(jù)了整個(gè)渦殼通道。旋渦的存在增大了排汽缸中流體的沿程損失，造成了較大的渦流損失。

排汽缸出口截面上的流線與總壓損失系數(shù)分布分別如圖5、圖6所示。受排汽缸上游旋渦運(yùn)動(dòng)的影響，在排汽缸出口截面上形成一對(duì)尺度較大且旋向相反的旋渦——旋渦1與旋渦2，以及位于角區(qū)范圍較小的兩個(gè)旋渦——旋渦3與旋渦4。對(duì)比圖5與圖6可以看出，旋渦1與旋渦2是出口截面高總壓損失的主要來源。其中，原型排汽缸出口截面的高總壓損失區(qū)域最大，隨著擴(kuò)壓器后擴(kuò)張角的增大，出口截面的總壓損失有所降低。

排汽缸出口截面V方向速度分布如圖7所示，V為負(fù)代表流體流出排汽缸，V為正代表流體流進(jìn)排汽缸。分析圖5與圖7可以得出，旋渦1與旋渦2是引起回流及流動(dòng)不穩(wěn)定的主要因素。

擴(kuò)壓器是排汽缸的重要組成部分，是決定排汽缸性能優(yōu)劣的關(guān)鍵部件。擴(kuò)壓器中由于逆壓梯度引起的流動(dòng)分離，是導(dǎo)致流動(dòng)損失增加，影響排汽缸氣動(dòng)性能的關(guān)鍵因素。本次計(jì)算中，3種排汽缸擴(kuò)壓器水平截面速度矢量圖如圖8所示。

從圖中可以明顯看出，在擴(kuò)壓器內(nèi)環(huán)附近出現(xiàn)了較大范圍的流動(dòng)分離，流動(dòng)分離使得擴(kuò)壓通道變得狹窄，減小了有效擴(kuò)壓面積，嚴(yán)重影響了擴(kuò)壓器以及排汽缸整體的靜壓恢復(fù)能力。從實(shí)例1、實(shí)例2、實(shí)例3的對(duì)比分析中可以看出，隨著擴(kuò)壓器后擴(kuò)張角的增大，內(nèi)導(dǎo)流環(huán)附近的流動(dòng)分離有所改善。

排汽缸出口截面的氣動(dòng)性能參數(shù)如表1所示，通過分析可以得出，隨著擴(kuò)壓器后擴(kuò)張角的增大，排汽缸出口的平均總壓損失系數(shù)逐漸降低，同時(shí)平均靜壓恢復(fù)系數(shù)逐漸升高。說明針對(duì)原型排汽缸，適當(dāng)增加擴(kuò)壓器的后擴(kuò)張角，可以提升排汽缸的氣動(dòng)性能。對(duì)于實(shí)例2與實(shí)例3的排汽缸，其靜壓恢復(fù)系數(shù)僅比實(shí)例1的排汽缸提升了9.95%與14.75%。

4 ? ?結(jié)語

排汽缸內(nèi)的流動(dòng)可以視為一系列的旋渦運(yùn)動(dòng)，這是排汽缸本身的結(jié)構(gòu)特征所決定的。在原型排汽缸中，擴(kuò)壓器內(nèi)環(huán)存在較為嚴(yán)重的流動(dòng)分離，隨著擴(kuò)壓器后擴(kuò)張角的增大，流動(dòng)分離顯著改善，同時(shí)排汽缸的氣動(dòng)性能得到了較為明顯的提升。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 孔祥林.汽輪機(jī)低壓排汽缸氣動(dòng)性能分析和結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)[D].西安：西安交通大學(xué)，2005.

[2] 魏春枝，陳順寶.600 MW機(jī)組排汽缸流場特點(diǎn)及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].電力建設(shè)，2014，35（2）：108-112.

[3] 徐旭，康順，蔣洪德.低壓蒸汽透平排汽缸內(nèi)能量損失的數(shù)值研究[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，28（6）：652-655.

收稿日期：2021-08-23

作者簡介：劉盼年（1987—），男，遼寧大連人，工程師，從事動(dòng)力機(jī)械熱力與強(qiáng)度方面的研究工作。