凝汽器喉部出口流場分布的試驗研究

張磊磊

（上海電氣電站設備有限公司電站輔機廠，上海200090）

凝汽器喉部出口流場分布的試驗研究

張磊磊

（上海電氣電站設備有限公司電站輔機廠，上海200090）

試驗時，應用相似性原理，在滿足相同流動狀態的前提下，采用對模型吹風的方法，建立了一套凝汽器喉部的微型模化裝置。在該微型裝置上，采用了不同的入口流速，對喉部出口的流場分布進行了模擬試驗。首先分析了流動的穩定性，并在不同內部設備條件下，分析了喉部出口的流場分布。試驗結果表明，該微型模化試驗裝置能夠反映喉部內的流動狀況，可用于其流動狀態及流場分布的試驗研究。

汽輪機；凝汽器；喉部；流場分布；微型；模擬；試驗；裝置

0 概 述

汽輪機凝汽器喉部是接受汽輪機排汽的通道，是凝汽系統中重要的組成部分。從結構上分析，凝汽器喉部是一個復雜的蒸汽通道，通常被設計成具有一定擴散角度的棱臺形結構，且內部布置有大量的支撐管件和抽汽管、低壓加熱器等部件。由于喉部結構較復雜，當汽輪機的排汽經過喉部后，將形成不均勻的流場分布，因此，在某些部位形成了局部高速汽流，造成下級冷卻管的汽流激振，這是冷卻管破壞的主要原因之一[1]。因此，在凝汽器喉部設計過程中，應盡量尋求合理的結構，讓喉部出口的流場分布盡可能地均勻，降低汽流激振對冷卻管的破壞作用。目前，研究喉部出口流場分布方面的文獻較少，這是因為在運行狀況下，對凝汽器喉部流場的測量具有很大的困難。

為更好的研究喉部出口流場分布狀態，在以往對模型吹風試驗的基礎上，建立了一套凝汽器喉部的微型模化試驗裝置，縮小了模型的外形尺寸。針對喉部結構，采用柔性設計，克服以往模化試驗的缺點。應用該試驗裝置，對喉部出口流場的分布進行了試驗和研究。

1 模化試驗的前提條件及試驗模型

1.1 凝汽器喉部模化試驗的前提條件

該微型模化試驗主要考慮幾何尺寸相似、歐拉數Eu相等和滿足相同流態三個前提條件，即：

式（1）中，k1為模型縮小比例，實驗時設定為30；k2為實體和模型入口Re數的比值，由于要滿足兩者均處于旺盛紊流區，其取值應限定在一定范圍內。試驗裝置的可行性，主要取決于能否滿足模型與實體之間入口流態相同的條件，即滿足處于相同的自模化區，這是實驗是否可行的關鍵所在。

流動自模化區域的分布，如圖1所示。圖1中，Recr1為第一臨界值，對于管內流動取2 320。Recr2為第二臨界值，其數值需通過試驗確定。試驗結果表明，通道形狀越復雜，通道內被填充的程度越大。管徑越小，管道表面的粗糙度越大，流動進入第二自模化區的臨界值Recr2越小。由于喉部內布置有大量的支撐管，且管材為鍍鋅鋼管，管子的當量粗糙度k當=0.45 mm，喉部入口當量直徑為237 mm，查表可以得出Recr2=2.72×105。當Re＞Recr2時，模型達到第二自模化條件，此時，Eu數基本上不再隨Re數的增加而發生變化[4]。由于汽輪機的排汽速度非常高，蒸汽的實際流動狀態處于第二自模化區，入口Re數達到了4.60×106。在模化試驗條件下，為滿足流態也達到第二自模化區，試驗設定工質的最小入口流速為19.2 m/s，對應最小的入口Re數為3. 02×105。從圖1可知，試驗模型和實體的入口Re數均大于Recr2，這樣就保證了流動阻力的相似性。

圖1 流動自模化區域分布圖

1.2 喉部結構模型的建立

試驗以某600 MW機組凝汽器喉部為例，并進行了適當的簡化處理。采用1∶30的模型縮小比例。喉部為一棱臺形結構，其內部布置的部件或設備主要包括支撐管、低壓加熱器、抽汽管等[5]。喉部殼體以及內部設備的布置如圖2所示。喉部的結構參數如表1所示。

圖2 喉部殼體及內部設備布置圖

表1 喉部模型的尺寸參數［5］

2 實驗結果及數據分析

試驗分別對喉部空殼體、喉部內僅布置低壓加熱器及喉部內布置有低加、抽汽管和支撐管三種條件下的出口流場分布進行了試驗研究。

2.1 喉部為空殼體時的出口流場分布

如圖3所示，在流速為32.2 m/s、喉部為空殼體條件下的出口流場分布圖。從圖3可知，整個出口流區可分為兩部分：斜壁下方的低速流區和喉部中間的高速流區。這主要是因為在流體流經壁面處時，受壁面黏滯作用導致了速度較低；而在主流區，由于沒有其它設備的阻滯，出口平均流速較高，且分布相對比較均勻。

2.2 喉部內布置低加時的出口流場分布

圖3 流速為32 62 m/s時喉部空殼體內的出口流場分布

圖4 喉部內僅布置低加時出口流場分布

在圖4中，a、b分別表示流速為32.2 m/s和30.7 m/s時，喉部出口流場的分布狀態。如4圖所示，當喉部內加入了低壓加熱器后，在主流區形成繞圓柱流動，使得低壓加熱器的下方形成低速流區，而低壓加熱器兩側形成高速流區。由于低壓加熱器的阻滯作用，出口處的平均流速有所降低。另外，當流體繞圓柱流動時，在不同流體Re數的條件下，形成的繞流脫體效應并不相同，進而產生不同的阻滯作用。如圖5所示，在Y=12.65 cm和14.65 cm兩個截面上（低壓加熱器的下方區域），Z方向流速都出現了兩個峰值，即在Z方向上的流速變化趨勢為：在壁面處為低速流區，在向主流區的過渡過程中，先逐漸增大，而后在進入主流區后，流速反而又逐漸降低，主要原因是在過渡區域的流體Re數相對于主流區較低，其繞流脫體處于亞臨界狀態，低壓加熱器對流體的阻滯力較小，而主流區的流體Re數較大，處于亞臨界向超臨界的過渡區域。此時，低壓加熱器對流體的阻滯力較大，因此，在主流區中央形成了一個相對的低速流區。

圖5 低加下方區域各點速度

2.3 喉部內布置低加和抽汽管及支撐管時的出口流場分布

當喉部內加入了低壓加熱器、抽汽管和支撐管后，由于抽汽管和支撐管的阻塞作用，喉部的流動阻力變得更大。喉部出口流場仍被分為靠近壁面及低壓加熱器下方的低速流區和低壓加熱器兩側的高速流區，但流場的分布變得更加的不均勻，且出口平均速度有所增加，如圖6所示。由于支撐管的加入，破壞了繞低壓加熱器流動的脫體效應，因此，低壓加熱器下方區域并沒有形成與圖5相似的速度分布規律。

圖6 喉部內布置低加和抽汽管及支撐管時的出口流場分布

3 結 語

在以往凝汽器喉部模型吹風試驗分析的基礎上，建立了一套微型模化試驗裝置，并對其可行性進行了分析。應用該微型模化試驗裝置，對喉部出口流場的分布進行了試驗研究，并分析了內部各主要管件對流場分布的影響。

（1）凝汽器喉部的出口流場分布極不均勻，即喉部內的空氣流動為非穩定性流動。

（2）當喉部內無設備時，出口平均速度較高，主流區的速度分布相對較均勻，且為高速流區，在斜壁下方形成低速流區。

（3）當喉部內僅布置低壓加熱器時，出口平均流速有所降低，由于繞圓柱流動產生的漩渦脫體，使得低壓加熱器下方形成了低速流區，其兩側為高速流區。在低壓加熱器下方的低速流區內，斜壁下方和中間區域的速最低。

（4）經實驗后分析，造成喉部出口流場不均勻性的主要因素，是因為在喉部布置了低加設備，而布置支撐管后，出口流場的分布變得更加混亂。

[1]張卓澄.大型電站凝汽器[M].北京：機械工業出版社，1993.

[2]安平紀雄，佐藤武，向井康晃.關于凝結器喉部流動特性的實驗研究[D].國外凝汽器論文集，1983.

[3]林建忠，阮曉東，陳邦國.流體力學[M].北京：清華大學出版社，2005.

[4]崔國民.汽輪機凝汽器喉部合理設計及布置研究[D].上海理工大學博士后研究報告.2000.

[5]郭玉雙，趙寶珠.300 MW汽輪機凝汽器喉部段通道改造研究[J].熱力透平.2003，32（3）：156-159.

[6]尹協遠，孫德菌.旋渦流動的穩定性[M].北京：國防工業出版社，2003.

[7]童秉綱，張炳暄，崔爾杰.非定常流與渦運動[M].北京：國防工業出版社，1993.

Experimental Study onthe Flow Field Distribution at Condenser Throat Exit

ZHANG Lei-lei
（Shanghai Power Station Auxiliary Equipment Plant，Shanghai Electric Power Generation Equipment Co.，Ltd.，Shanghai 200090，China）

A miniature-modeling device of condenser throat is established applying the similarity principle and model blow method on the premise of same flow status.The flow distribution at throat exit is studied experimentally at different entrance velocity conditions on the device.The stability of flow is analyzed first；then the flowing distribution at throat exit is studied under different inner equipment condition.The experiment results show that the miniature-modeling device can show the flow condition inside the throat，and can be used to study the flow condition and flow field distribution of condenser throat.

turbine；condenser；throat；flow field distribution；miniature-modeling；simulation；experiment；device

TK264 61+1

B

1672-0210（2016）02-0013-03

2016-03-25

張磊磊（1984-），男，碩士研究生，畢業于上海理工大學，從事凝汽器及換熱器的設計工作。