蒸汽旁排減壓裝置中斜孔設(shè)計與性能分析

彭 杉

（海軍裝備部駐上海地區(qū)第三軍事代表室，上海 200031）

0 引言

旁路排放裝置是船用汽輪機組運行及空載過程中不可缺少的裝置。在汽輪機處于低載荷工況的情況下，旁排裝置能夠用于吸收蒸汽發(fā)生裝置中多余的蒸汽，將其溫度與壓力降低后排入冷凝器。在空載工況下，旁排裝置則需要吸收蒸汽發(fā)生裝置產(chǎn)生了全部蒸汽，并且將其轉(zhuǎn)化為低壓低溫蒸汽后排入冷凝器。在旁排裝置中，起到減壓作用的裝置多采用斜孔板結(jié)構(gòu)。

節(jié)流孔板具有加工簡單，維修方便，價格低廉等特點。然而，采用節(jié)流孔板作為減壓裝置也具有整體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，尺寸過大的缺點。由于艙室面積狹窄，因此船用汽輪機的旁路排放裝置常需要集成于機組本體上，過大的尺寸會造成汽輪機局部尺寸的突出，進(jìn)而導(dǎo)致艙室分割及布置難度的增大。

張亮等[1]采用數(shù)值模擬的方法對多級節(jié)流孔板減壓裝置進(jìn)行過研究，研究結(jié)果表明多級孔板減壓裝置中第一級孔板的減壓能力對于整個裝置的影響最為明顯，第一級孔板的孔徑越小，孔板減壓能力越強。李科群等[2]則多級膨脹減溫裝置作為研究對象進(jìn)行研究，研究者對該類型減溫裝置的流量、節(jié)流壓力比及結(jié)構(gòu)強度進(jìn)行了分析。張卓澄[3]采用原理性試驗研究的方式對孔板減壓裝置進(jìn)行研究，結(jié)果表明：氣流通過小孔時存在遠(yuǎn)比一般噴嘴臨界壓力低的第二臨界壓力比，并且孔板厚度對于壓力比的影響較為明顯。杜曉東等[4]對斜角型、半圓角型、前緣倒角型及縮放型油路節(jié)流孔板結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，研究結(jié)果表明在不改變孔徑的前提下采用上述異型孔將會使得減壓能力有一定的下降。王榮[5]對節(jié)流孔板的孔厚度、孔間距及孔直徑對通流能力的影響進(jìn)行了分析，結(jié)果顯示孔板通流面積是決定通流能力的主要因素，改變孔間距是控制安全擴散能力的主要手段。李佳冀[6]對減壓裝置中常用的斜板正開小孔進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究結(jié)果表明采用斜板開孔能夠使得高速氣流在排放腔內(nèi)很短的距離內(nèi)總壓降低到較低的水平，產(chǎn)生較大的總壓損失。

本文嘗試采用在節(jié)流孔板上采用斜孔結(jié)構(gòu)，對斜孔的結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)化分解，并采用數(shù)值分析的方式分析各參數(shù)變化對于斜孔減壓能力的影響。

1 計算模型與網(wǎng)格

本文采用單斜孔模型進(jìn)行研究。計算模型見圖1。圖1中給出了單斜孔模型的外形圖。蒸汽由左側(cè)進(jìn)入，經(jīng)過單斜孔后從右側(cè)流出。

圖1 計算模型

邊界條件見表1。入口設(shè)為壓力入口，入口蒸汽為干度為1的干蒸汽。出口設(shè)為質(zhì)量流量出口，質(zhì)量流量數(shù)值為斜孔的臨界流量。壁面設(shè)置為絕熱光滑壁面。

表1 邊界條件

由于本研究中涉及不同喉部面積的小孔，為確保工質(zhì)流量與孔直徑對應(yīng)，因此取出口質(zhì)量流量為

圖2中給出了單斜孔模型的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。如圖中所示，單斜孔內(nèi)部采用混合網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，入口段及出口端均采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。單斜孔壁面附近網(wǎng)格均加密，第一層網(wǎng)格厚度為0.01 mm，在模擬工況下滿足y+<1。計算中保證個方程殘差小于10-5，在1 000次迭代步中出口質(zhì)量流量變化率小于0.1%，計算結(jié)果收斂。

圖2 網(wǎng)格模型

為了確保達(dá)到網(wǎng)格無關(guān)性要求，本文采用從4.2×104～1.3×105這5套逐漸加密的網(wǎng)格計算模型運行工況的靜壓損失系數(shù)（見式（1）），計算結(jié)果見表2和圖3。網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到8.6×104后，各網(wǎng)格計算結(jié)果基本隨網(wǎng)格數(shù)量的變化而變化，滿足網(wǎng)格無關(guān)性要求。從而考慮計算進(jìn)度和計算資源的因素出發(fā)，本文采用網(wǎng)格數(shù)量為8.6×104個。

表2 網(wǎng)格無關(guān)性研究

圖3 網(wǎng)格無關(guān)性研究

將單斜孔模型進(jìn)行參數(shù)化，見圖4。單斜孔模型能夠分解為3個參數(shù)，分別為斜孔喉部直徑a/mm，斜孔角度b/(°)，板厚c/mm。單孔前后管直徑均為50 mm。

圖4 參數(shù)化圖形（單位：mm）

第2節(jié)～第5節(jié)中分別對開孔直徑φa/mm、開孔角度b/(°)及孔板厚度c/mm對于孔板減壓能力的影響進(jìn)行分析。因此設(shè)計模擬方案見表3。

表3 模擬方案

本文采用靜壓損失系數(shù)對模型壓力損失進(jìn)行表征，靜壓損失系數(shù)的計算公式為

式中：P入口為入口的平均總壓數(shù)值；P截面則為測量截面所在位置的平均靜壓。

2 斜孔與垂直孔流動情況的對比

圖5展示了方案A與方案B的湍流動能云圖，圖中橫坐標(biāo)x/X為橫向相對位置，y/Y為縱向相對位置。

圖5 湍動能云圖

從圖5(b)中能夠觀察到垂直孔的湍動能高區(qū)主要發(fā)生于節(jié)流孔后部，x/X=[0.3，0.6]之間的孔內(nèi)區(qū)域基本無湍動能高區(qū)存在。

而在圖5(a)中能夠觀察到采用斜孔結(jié)構(gòu)后，斜孔內(nèi)部x/X=[0.3, 0.6]產(chǎn)生了較大的湍動能高區(qū)。該湍動能高區(qū)從斜孔后側(cè)依舊存在，該湍動能高區(qū)的存在能夠?qū)⒐べ|(zhì)的壓力能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。

圖6給出了斜孔位置的速度云圖及流線圖。

圖6 速度云圖及流線圖

從圖6中能夠觀察到，工質(zhì)流過斜孔下側(cè)后，壁面邊界層發(fā)生分離，該位置流體隨圖中虛線方向進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。

該位置發(fā)生的邊界層分離是圖5(a)中x/X=0.3位置湍動能高區(qū)產(chǎn)生的主要原因。

圖7中給出斜孔前后的靜壓損失系數(shù)分布圖。

圖7 靜壓損失系數(shù)分布圖

在斜孔前后分別去面1～面7，各面位置如圖7(a)中所示，其中面1～面2位于斜孔前，面3～面5位于斜孔中間，面6～面7位于斜孔后側(cè)。

從圖7(b)中能夠觀察到，面1～面3斜孔與垂直孔的靜壓損失系數(shù)基本一致。面4開始斜孔的靜壓損失系數(shù)開始明顯大于垂直孔。且靜壓損失系數(shù)到面7均保持該趨勢。

面3～面5中，湍動能高區(qū)的存在就是靜壓損失系數(shù)增加的原因。圖6中靜壓損失系數(shù)與圖5中的流動情況相對應(yīng)。

3 開孔直徑對于斜孔板減壓能力的影響

圖8給出了方案E、F、A及G的湍動能云圖。

圖8 湍動能云圖

從圖8中能夠觀察到，隨著斜孔板直徑的不斷增加，湍動能高區(qū)在孔內(nèi)區(qū)域所占的面積不斷增加。但是湍動能高區(qū)在孔內(nèi)所占面積不斷減小。方案E中，湍動能高區(qū)占據(jù)了整個斜孔的1/2面積，且斜孔上部的工質(zhì)也受到湍動能高區(qū)擾動的影響發(fā)生湍動能提高。而在方案A中，湍動能高區(qū)占整個孔內(nèi)面積的1/3，孔內(nèi)仍然存在較大的湍動能低區(qū)。

圖9中給出了方案E、F、A及G的出口靜壓損失系數(shù)對比圖。

圖9 靜壓損失系數(shù)對比圖

從圖9中能夠觀察到，隨著斜孔直徑的上升，模型出口的靜壓損失系數(shù)逐漸下降。

斜孔直徑的增加減小了斜孔對孔內(nèi)工質(zhì)的擾動，使得斜孔的減壓能力下降。

斜孔的開孔直徑增大后，斜孔減壓能力減小。

在工程使用中，對于定質(zhì)量流量的減壓問題。斜孔直徑減小后，需要配打的斜孔數(shù)量將大大增加，且打孔難度也將大大提升，使得制造成本上升。因此無法通過不斷減小斜孔直徑的方式增加斜孔減壓能力。

4 開孔角度對于斜孔板減壓能力的影響

圖10給出了方案B、C、A及D的湍動能云圖。

從圖10中能夠觀察到，隨著斜孔傾斜角度的不斷增加，湍動能高區(qū)逐漸產(chǎn)生，并且其面積與強度不斷增加。斜孔下游的湍動能高區(qū)的變化情況與孔內(nèi)流動情況保持一致。

圖11中給出方案B、C、A及D的靜壓損失系數(shù)對比圖。

圖11 靜壓損失系數(shù)對比圖

從圖11中能夠觀察到隨著斜孔傾斜角度的增加，模型出口的靜壓損失系數(shù)逐漸上升。

靜壓損失系數(shù)的變化情況與圖10中的流動情況保持一致。

斜孔的開孔角度增加后，斜孔減壓能力上升。

在工程使用中，隨著斜孔的傾斜的不斷增加，開孔難度不斷上升。因此無法通過不斷增加斜孔角度的方式增加斜孔減壓能力。

5 孔板厚度對于斜開孔斜孔板減壓能力影響

圖12中給出了方案H、A、I及J的湍動能云圖

圖12 湍動能云圖

從圖12中能夠觀察到，隨著孔板厚度的增加，斜孔內(nèi)部的湍動能云圖的尺寸與強度不斷增加。斜孔內(nèi)部的湍動能的增加，使孔內(nèi)分離增強。

圖13給出了方案H、A、I及J的靜壓損失系數(shù)對比圖。

圖13 靜壓損失系數(shù)對比圖

從圖13中能夠觀察到，隨著孔板厚度的增加，模型出口的靜壓損失系數(shù)逐漸上升。

靜壓損失系數(shù)的變化情況與圖12中的流動情況保持一致。斜孔孔板的厚度增加后，斜孔減壓能力上升。

在工程使用中，隨著孔板厚度的增加，減壓裝置的重量與尺寸也會不斷增加。因此無法通過不斷增加孔板厚度的方式增加斜孔減壓能力。

綜合分析圖9、圖11及圖13中縱坐標(biāo)的變化情況能夠發(fā)現(xiàn)，增加斜孔角度與減小斜孔直徑對于增強斜孔減壓能力的效果較好。增加孔板厚度的方式對于增加斜孔減壓能力的效果較差。

6 結(jié)論

通過對斜孔結(jié)構(gòu)的參數(shù)化，將斜孔分解為開孔直徑、開孔角度及孔板厚度等3個參數(shù)。對比分析了各種參數(shù)對于斜孔減壓能力的影響，可以得到以下結(jié)論：

1）斜孔的采用能夠使得孔內(nèi)壁產(chǎn)生較大的流動分離現(xiàn)象，使得斜孔結(jié)構(gòu)的減壓能力優(yōu)于垂直孔結(jié)構(gòu)。2）斜孔開孔直徑增大后，斜孔減壓能力減小。3）斜孔開孔角度增加后，斜孔減壓能力上升。4）斜孔孔板厚度增加后，斜孔減壓能力上升。