600MW機組排汽缸流場特點及其結構優化

魏春枝，陳順寶

(1.國網冀北電力有限公司技能培訓中心，河北省保定市 071000；2.電站設備狀態檢測與控制教育部重點實驗室(華北電力大學)，河北省保定市 071003)

600MW機組排汽缸流場特點及其結構優化

魏春枝1，陳順寶2

(1.國網冀北電力有限公司技能培訓中心，河北省保定市 071000；2.電站設備狀態檢測與控制教育部重點實驗室(華北電力大學)，河北省保定市 071003)

排汽缸結構復雜，導致流場混亂，容易形成不同程度的漩渦，造成能量損失。為此，運用流體計算軟件Fluent對排汽缸進行數值模擬，研究了其內部流場特點，分析了擴壓管出口寬度和內壁傾角對擴壓管出口處流場的影響。流體從擴壓管流出后，向上翻轉進入上半缸，在上半缸形成了另一個漩渦。針對排汽缸內不同形式的漩渦，對擴壓管出口結構進行優化改造和在拱頂處加裝導流擋板，存在一個最優的擴壓管出口寬度和內壁傾斜角度，使得擴壓管出口附近漩渦最小；導流板的數量和安裝位置對漩渦有不同程度的影響，通過模擬得出了最佳的擋板組合，能最大程度削弱排汽缸內的漩渦，改善其性能。

排汽缸；擴壓管；數值模擬；流場；排汽損失

0 引 言

汽輪機低壓排汽缸一般由擴壓管和蝸殼組成，汽流在擴壓管內實現擴壓和轉彎，再在蝸殼內進行一系列復雜的運動[1]。在擴壓管的內外壁面附近，汽流容易形成漩渦(Vortex)，對下游造成干擾并增大汽流能量耗散，這主要是由擴壓管不合理的結構造成的。徐旭等[2]指出排汽缸殼體內復雜的漩渦結構以及通道渦是影響排汽缸內壓力恢復、產生總壓損失的主要因素。謝偉亮等[3]通過粒子成像測速(particle image velocimetry，PIV)實驗研究了汽輪機低壓排汽缸模型內的流場結構，指出排汽缸內的主要渦結構為通道渦、分離渦和端壁渦，其中通道渦占據了大部分的空間并具有較大的渦量，分離渦和端壁渦都由通道渦誘發產生，渦量較小。

對大功率汽輪發電機組，排汽缸能量相當于總可用能量的2%以上，大約占機組總損失的15%[4]。因此，對排汽缸流場進行研究尤為重要。張荻等[5]對排汽缸內的流場進行了研究；文獻[6-12]研究了擴壓管流場對排汽缸性能的影響；竺曉程等[13]通過加裝擋板破壞排汽缸內通道渦，改善了排汽系統的靜壓恢復能力，同時還指出，背弧上的肋板削弱了通流能力，導致排汽缸靜壓恢復能力下降。文獻[14]總結了汽輪機排汽通道數值研究的現狀和進展，指出采用耦合數值模擬方法是研究汽輪機流動特性的主要趨勢，改進后的排汽缸流場改善了凝汽器喉部的流場[15-16]。針對排汽缸內的漩渦，本文提出優化擴壓管的出口結構并在上半缸拱頂處加裝導流擋板，以減小排汽缸內的漩渦強度，改善排汽缸的氣動性能。

1 物理模型及計算區域

圖1為排汽缸內流場計算區域示意圖，由于結構對稱，并且為了便于觀看內部結構，取模型的一半，所示剖切截面為子午面(xz平面)。圖2為排汽缸計算區域網格示意圖，網格數約為200萬個，保證了計算的精準度。

圖1 排汽缸(1/2模型)流場計算區域示意圖

圖2 排汽缸計算網格示意圖

在Fluent軟件平臺上，基于壓力求解由連續性方程和動量方程組成的方程組。選取速度進口和壓力出口作為邊界條件；壁面為無滑移壁面邊界；選擇SIMPLE作為壓力-速度耦合方式[17]。連續性方程為

(1)

動量方程為

(2)

式中：ρ為蒸汽密度；u,v,y分別為x,y,z方向速度；p為壓力；μ為流體動力黏性系數。

2 數值模擬與分析

2.1 排汽缸流場特點

排汽缸內排汽壓力損失為

Δpc=pin-pout

(3)

式中：pin為排汽缸進口靜壓；pout為排汽缸出口靜壓。

對排汽缸進行數值模擬，結果如圖3所示。從圖3(a)可看出：汽流在擴壓管出口處形成了漩渦，這是由于擴壓管出口寬度和出口內壁傾斜角等參數選擇不當造成的；在擴壓管下游的汽缸拱頂處，汽流從擴壓管出來，翻轉運動產生了漩渦，中分面以上的空間內，漩渦螺旋前進流動，螺旋程度由強逐漸減弱；中分面以下的空間內，汽流已接近直流。

圖3 排汽缸內流場分布

排汽缸內漩渦擾亂了蝸殼內的流場，增大了能量損失，使得蝸殼內的總壓損失占排汽缸總損失的份額比擴壓管的總壓損失占排汽缸總損失的份額大很多(如圖4)。如果在中分面以上的蝸殼內裝設擋板，能減弱漩渦的強度，改善排汽缸內的流場。

圖4 排汽缸各部分的壓力損失比

2.2 排汽缸結構優化

2.2.1 擴壓管出口邊傾角對流場的影響

圖5為排汽缸子午面示意圖，β是擴壓管出口邊與豎直方向的夾角，順時針方向為負，逆時針方向為正。改變傾角的大小，擴壓管出口處流場發生變化，進而影響排汽缸的整體性能。對具有不同β值的排汽缸進行數值模擬，結果如圖6所示。

圖5 排汽缸(上半缸)子午面示意圖

圖6 排汽缸排汽壓力損失隨角度變化曲線

擴壓管內壁曲率半徑為固定值時，擴壓管出口邊傾角存在一個特定值。當傾角小于該特定值時，擴壓管出口邊阻礙汽流排出，在出口附近產生倒流，形成阻流漩渦；當傾角大于該特定值時，汽流在出口邊處形成脫流，內壁附近流量密度減小，形成低密度漩渦。圖6表明，當傾角β=75°時，排汽缸排汽壓力損失達到最小值，排汽缸氣動性能得到改善。

2.2.2 擴壓管出口寬度對流場的影響

擴壓管出口寬度d(圖5)如果選取太大，會使得擴壓管內壁脫離區成為開放性的，即漩渦將會增大并延伸到出口，這不僅加大了汽流的漩渦損失，還使擴壓管出口的有效寬度減小而降低了排汽缸余速動能回收的能力；如果寬度選取太小，雖然能控制因脫流而形成的漩渦，但汽流在擴壓管實現擴壓轉彎后，速度會重新得到提升，伴隨著靜壓減小，削弱了排汽缸的擴壓減速能力。

在上半缸的擴壓管內壁附近有規律地布置13個監測點，用以監測擴壓管內壁靜壓隨位置的變化。從擴壓管進口到擴壓管出口，將監測點依次標示為點1～13。圖7給出了不同出口寬度時各種形式的擴壓管內壁靜壓值變化曲線。

圖7 擴壓管內壁靜壓隨位置變化曲線

從圖7可看出，即使擴壓管出口寬度不同，但擴壓管內靜壓值的變化都有相同的趨勢，即先連續增大，再在后段緩慢減小。這是因為汽流先在擴壓管的擴壓轉彎段內減速擴壓，實現了動能轉化為靜壓能；在出口處，由于汽流轉彎改變方向，形成了不同程度的漩渦，造成一定的能量損失，動能轉化為靜壓能的總量減少。尤其是當d過大時，在出口處所形成漩渦更大，造成的能量損失更多。因此，靜壓值在后段減小的趨勢也隨寬度的變化而不同。d為1 100、1 350 mm時，靜壓值減小的程度都較大；d=1 250 mm時，靜壓值減小的程度最小。再者，排汽缸的排汽損失也因擴壓管出口寬度的不同而變化，如圖8所示，當d=1 250 mm時，排汽缸壓力損失達到最小。

圖8 排汽缸汽阻隨擴壓管出口寬度變化曲線

2.2.3 加裝擋板的排汽缸數值模擬與分析

圖3(b)所示的排汽缸子午面速度矢量圖中，位置1與位置2之間的范圍為漩渦的中心低速區域，在這范圍內加裝擋板能達到較好的消渦效果，如圖9所示。

圖9 擋板位置示意圖

通過對加裝了擋板的排汽缸進行模擬計算后發現，位置1擋板下邊緣與汽缸壁相連，阻止汽流向前流動，削弱形成漩渦的動力，汽流只能順著擋板延伸的方向有規律地流向排汽缸出口，如同一股直流；位置2擋板下邊緣與汽缸壁距離為150 mm時，既不會因阻礙汽流運動而形成阻流漩渦，同時還能削弱漩渦的強度。在位置1和位置2之間繼續均勻加裝若干個擋板(圖9)，擋板組正好穿過漩渦的中心區域，將漩渦分割成若干個部分，流體被限制在擋板與擋板之間和擋板與汽缸壁之間的有限空間內，并順著擋板延伸的方向流動，如同若干股直流排向出口(圖10)。模擬結果表明，擋板組下邊緣與汽缸壁之間的距離為150 mm的時候，效果最佳。與沒有加裝任何裝置的排汽缸相比，加裝了擋板組的排汽缸排汽壓損減小了52 Pa，蝸殼部分總壓損失占排汽缸總損失的份額由原來的0.763降低至0.692(如圖11)。

圖10 裝置擋板組的排汽缸內典型流束流線

圖11 加裝擋板后排汽缸各部分壓力損失比

3 結 論

(1) 排汽缸的特殊結構導致汽流容易形成漩渦，增大能量損失，蝸殼處排汽損失占總損失的比例約為0.8。

(2) 對擴壓管出口結構進行優化，能改善排汽缸流場，當擴壓管出口寬度為1 250 mm和擴壓管出口內壁傾角為75°時，排汽缸性能最佳。

(3) 針對上半缸拱頂處的漩渦，在此處加裝導流擋板能削弱漩渦的強度，排汽壓損能減小52 Pa，蝸殼部分壓損占總壓損的比例約降低至0.7。

[1]沈士一，莊賀慶，康松，等.汽輪機原理[M].北京：中國電力出版社，1992：104-109.

[2]徐旭，康順，蔣洪德，等.低壓蒸汽透平排汽缸內三維粘性流動的數值模擬[J].工程熱物理學報，2000，21(4)：430-433.

[3]謝偉亮，王紅濤，竺曉程，等.汽輪機低壓排汽缸內流場的PIV實驗研究[J].實驗流體力學，2011，25(5)：64-69.

[4]王平子.現代大功率汽輪機排汽缸的氣動性能[J].東方汽輪機，1991(3)：1-6，34.

[5]張荻，周屈蘭，謝永慧，等.大功率汽輪機低壓排汽缸流場的數值模擬[J].熱力發電，1999(3)：28-30.

[6]Hoznedl M, Tajc L, Krejcik J, et al. Exhaust hood for steam turbines-single flow arrangement[C]// The 2nd International symposium on Jet Propulsuion and Power Engineering，Guilin，2008：530-537.

[7]徐旭，康順，蔣洪德.低壓蒸汽透平排汽缸內能量損失的數值研究[J].北京航空航天大學學報，2002，28(6)：652-655.

[8]付經倫，陳川，劉建軍.進口漩流對透平排汽缸內部流動的影響[J].工程熱物理學報，2007，28(1)，73-76.

[9]樊濤，謝永慧，張荻，等.汽輪機低壓排汽缸與末兩級耦合流動的三維數值模擬[J].中國電機工程學報，2007，27(26)：90-94.

[10]劉建軍，蔣洪德.汽輪機低壓排汽系統氣動性能分析[J].工程熱物理學報，2002，23(4)：425-428.

[11]黃偉東，孫弼，豐鎮平.汽輪機排汽缸擴壓管幾何形狀對氣動性能的分析[J].動力工程，1998，18(3)：17-21.

[12]杜占波，張荻，孫弼.汽輪機低壓排汽缸結構優化設計分析系統及其應用[J].汽輪機技術，1999，41(6)：325-329.

[13]竺曉程，王紅濤，杜占波，等.汽輪機低壓排汽缸內輔助板塊對其性能影響的數值研究[J].熱力透平，2007，36(1)：8-10.

[14]樊濤，謝永慧.汽輪機排汽通道復雜流動數值研究的現狀與進展[J].熱力透平，2007，36(3)：143-149，186.

[15]劉鵬.某電廠600 MW機組凝汽器的組合安裝[J].電力建設，2009，30(1)：66-68.

[16]周蘭欣，伊建興，仲博學，等.火電機組凝汽器化學補水霧化的數值研究[J].電力建設，2009，30(12)：6-9.

[17]王福軍.計算流體動力學分析[M].北京：清華大學出版社，1994：63-65.

(編輯：蔣毅恒)

FlowFieldCharacteristicandStructureOptimizationofExhaustHoodin600MWUnits

WEI Chunzhi1, CHEN Shunbao2

(1. Technical Skills Training Center of State Grid Jibei Electric Power Co., Ltd., Baoding 071000, Hebei Province, China;2. Key Laboratory of Ministry of Education of Condition Monitoring and Control for Power Plant Equipment, North China Electric Power University, Baoding 071003, Hebei Province, China)

The complex structure of exhaust hood may cause the chaos of flow field, and produce different kinds of vortexes and energy loss. The model of exhaust hood was simulated with computational fluid dynamics software Fluent to study the characteristics of flow field, as well as the influence of diffuser outlet width and inner wall angle on the flow field at diffuser outlet. After flowing out of the diffuser, the field turns over into the upper half of exhaust hood and then produces another vortex thereby. According to the different types of vortexes in exhaust hood, the structure of diffuser outlet was optimized and deflectors were equipped in the upper half of exhaust hood. There are optimal diffuser outlet width and inner wall angle making the vortex minimum nearby diffuser outlet, and the number and installation site of the deflectors have different influence on the vortex. Finally, the best combination scheme of deflectors was obtained by simulation, which could furthest weaken the vortex in exhaust hood and improve its performance.

exhaust hood; diffuser; numerical simulation; flow field; exhaust pressure loss

TK 264.1

： A

： 1000-7229(2014)02-0108-05

10.3969/j.issn.1000-7229.2014.02.021

2013- 09- 22

：2013- 10- 14

魏春枝(1966)，女，副教授，主要從事熱能動力工程的教學研究工作；

陳順寶(1989)，男，碩士研究生，主要從事汽輪機末級排汽流場研究工作，E-mail：296789960@qq.com。