大功率汽輪機排汽缸氣動特性試驗研究

王波++王威+李飛++程江南++宋乃秋++楊陽

摘 要：以某大功率汽輪機排汽缸為研究對象，以排汽缸的能量損失和出口截面的氣流參數作為考察目標，通過?；囼炦M行排汽缸氣動性能研究。試驗測試結果發現，排汽缸出口截面存在3個較高的能量損失區，包括由分流造成的兩個漩渦而導致的兩個高損失區，以及由于旋向相反的兩個漩渦作用而產生的中間高損失區；出口截面的速度不垂直度較高，不利于凝汽器中的凝結流動。通過針對該大功率汽輪機排汽缸流動特性的試驗分析，需針對其關鍵結構尺寸進行相應改進，以優化排汽缸的氣動性能，同時也為后續的排汽缸優化設計提供技術支撐。

關鍵詞：排汽缸 能量損失 速度不垂直度 試驗測試

中圖分類號：TK26 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）01（c）-0051-04

排汽缸是汽輪機的重要組件之一，它是連接汽輪機末級和凝汽器的中間部件，其主要功能是將汽輪機末級的排汽輸送至凝汽器中去，通過在凝汽器中對氣流的擴壓達到利用汽輪機排汽的余速動能的目的。由于末級排汽為亞聲速，排汽缸通過選取沿流向逐漸增加的橫截面積使汽流增壓至凝汽器壓力，以此減小汽輪機末級的壓力，以增加有用焓降，使得相對內效率能夠有所增加[1]。

針對汽輪機排汽缸的相關試驗研究工作比較多，且多集中于仿真計算發展前期，以全尺寸試驗和模型試驗為主，主要是以試驗結果為依據進行結構方面的相應改進，以提高其氣動性能。相比較而言，全尺寸試驗成本較高，費時費力，而模型試驗相對試驗周期更短，成本更低，已成為排汽缸試驗研究的首選。Tajic L[2-3]等人采用1∶4模化的排汽缸模型對某排汽缸進行了試驗研究，主要考查擴壓器出口的相對位置和壁面粗糙度對排汽缸的影響情況。試驗研究結果顯示，擴壓器出口到前壁面的距離與排汽缸的氣動損失近似成正比例關系，該距離越小，其氣動損失越??；而壁面的粗糙度并沒有對缸內的氣流運動產生顯著影響，因此，可以不考慮它的影響作用；葉頂間隙泄漏能夠提高排汽缸的氣動性能，但與此同時降低了末級葉片排的效率Kasilov[4]等人針對排汽缸內的漩渦結構進行了試驗研究，試驗結果表明，雖然能夠通過一些措施破壞排汽缸內的漩渦結構，一定程度上降低排汽缸的損失系數，但同時也會增加排汽缸的氣動損失，需精心設計破壞排汽缸內漩渦結構的方法以降低排汽缸內的氣動損失；付經綸[5]等人對某單級透平的汽輪機排汽系統模型的內流場進行了試驗及數值研究，通過數值模擬和試驗測試發現，非軸對稱模型內流場的葉片表面的氣動力分布和出口流場分布在圓周方向均為不均勻分布，且由于其進口位置的氣流角影響，葉展方向的總壓變化強烈，造成擴壓器內部的氣流分離現象惡化，嚴重影響了擴壓效果；趙寶珠[6]等人依托某氣動試驗風洞對某30萬kW汽輪機的排汽系統進行了試驗測試，試驗結果發現，其喉部出口位置大約有20%以上的區域為負壓區，使得出口截面流動分布更為不均勻，嚴重影響了汽輪機的出力，相應提高了機組運行成本。

該文主要針對某大功率汽輪機排汽缸進行相應的模化試驗，以研究其氣動特性情況，主要通過排汽缸的能量損失和出口截面的速度不垂直度兩個指標來衡量排汽缸的流動損失情況，為今后的結構改進工作提供一定幫助。

1 試驗方法

該模化吹風試驗是在低速風洞試驗臺上進行的，該試驗臺具有大流量、高壓頭，風量穩定，壓力波動小，可以滿足試驗所需各工況對試驗條件的要求。圖1給出了進行?；囼灥呐牌自囼炁_的簡圖。

汽輪機實際工作過程中，氣流在排汽缸內部的運動如下：從入口管道流入，經過導流錐，氣流呈環形軸向流動，進入導葉柵，氣流在導葉柵的作用下從單純的軸向流動變為具有一定周向速度分量的旋流，旋流角度與實際汽輪機末級動葉出口氣流相符，旋流的氣流流經由內弧體、背弧體組成的流道，流動方向由汽輪機軸向轉向徑向流動，從蝸殼一側的矩形出口流出排汽缸試驗件。

試驗測試的測點布置在總進氣管道和排汽出口端面，根據進氣管道的總壓、靜壓的測量結果，就可以計算出該位置的平均氣流馬赫數，作為試驗工況的控制參數進行調整進氣操作。試驗中，在穩定工況下，該平均馬赫數的相對偏差小于1%；為避免氣流在流出排汽缸排汽口后直接排向大氣急速擴散，導致影響排汽口流場的流動，進行出口測量的探頭在測量時處于距離排汽缸出口邊緣40 mm位置的內部，試驗過程中選擇五孔球頭探針進行相關量的測量，采用非對向測量方法，擬定系統的采樣時間為60 s。圖2為排汽缸出口截面的測點布置示意圖，為了確保流場測量的準確性，同時對流場結構變化較大的角區和邊界區域進行了測點的局部加密。

2 試驗結果分析

針對汽輪機排汽缸氣動性能的評估以出口截面上的氣動參數分布情況進行，通過能量損失系數來考察排汽缸的能量損失，通過速度不垂直度來評估出口位置的流動情況。

能量損失系數定義為：

（1）

式中：P為測量位置靜壓；P*為測量位置總壓；Pin*為入口總壓；k為絕熱指數。

速度不垂直度：

評估排汽缸出口截面流動分布的參數，是出口氣流速度矢量對出口截面的不垂直度，即出口氣體流動速度和出口位置法線之間夾角的質量平均值。

（2）

式中：為測量面內速度分量；Vz為垂直于測量面的速度分量。

2.1 能量損失分析

圖3為該模型試驗件出口位置的能量損失系數等值云圖。通過圖3中可以看到，在該模型試驗件出口位置有3個比較高的能量損失區。左右兩個高損失區面積較大，損失值較高，這兩個高損失區是氣流流出徑向擴壓管，在蝸殼內流向頂部矩形出口截面時，在其底部由機組子午面處分流，分別形成的兩個旋渦所造成。旋向相反的兩個旋渦相互作用，產生面積和損失值相對兩個高損失區較小的第3個高損失區，位于出口截面中間位置。

氣流在排汽缸中的流動主要是繞流導向葉柵、軸向轉徑向擴壓管以及蝸殼這3個組件。在導向葉柵中氣流實現流動方向變化，模擬末級絕對出氣方向，使氣流有一定的預旋，因此，可不考慮氣流是膨脹還是擴壓。該文認為主要是在軸向徑向擴壓管中擴壓，同時在擴壓管中氣流折轉90°，從軸向流動進入徑向流動。被收集到蝸殼體內的氣流，沿蝸殼環狀通道流向頂部的矩形出口，沿蝸殼底部子午面發生分流，在向頂部流動的同時，因蝸殼中設置了斜板，氣流膨脹加速。由此看來，排汽缸的流動損失和不均勻性主要取決于來流的扭曲度以及擴壓管和蝸殼之間擴壓度分配。特別需要指出的是來流扭曲度決定出口截面左右兩側流動的對稱性，擴壓管的擴壓度決定流動損失的大小。

2.2 速度不垂直度分析

圖4為試驗件出口位置的速度不垂直度的等值分布云圖。由速度不垂直度的定義式可知，不垂直度的大小是排汽缸出口截面，亦即凝汽器進口截面氣流方向偏離截面法向程度的度量。這也是保證凝汽器氣動性能的要求條件之一。實質上，速度不垂直度正比于出口位置的速度分量，這個分量愈大，速度不垂直度也愈高。從圖4中可以看到，排汽缸出口截面的速度不垂直度較高，其提供給凝汽器的入口氣流方向不利于凝汽器中的凝結流動。

3 結語

該文通過針對某大功率汽輪機排汽缸進行模化試驗測試，考察排汽缸出口截面的能量損失和速度不垂直度評估排汽缸的氣動性能，結論如以下幾點。

（1）在排汽缸出口截面上存在左右兩個高損失區，是氣流流出徑向擴壓管，在蝸殼內流向頂部矩形出口截面時，其底部由機組子午面分流，分別形成的兩個旋渦所造成；旋向相反的兩個旋渦相互作用，產生處于中間位置的第3個高損失區。排汽缸的流動損失主要取決于來流的扭曲度以及擴壓管和蝸殼之間擴壓度分配。

（2）排汽缸出口截面的速度不垂直度較高，其提供給凝汽器的入口氣流方向不利于凝汽器中的凝結流動。

（3）針對該大功率排汽缸流動損失較大的情況，可通過改進排汽缸相關結構尺寸的方法來進行氣動性能優化，主要包括出汽邊高度、斜板角度以及蝸殼上部偏移量等。

參考文獻

[1] 黃樹紅.汽輪機原理[M].北京：中國電力出版社，2008.

[2] Tajic L，Bednr L.Exhaust Hoods of Double-Flow Arrangement[J].4th European Conference on Turbomachinery，2000.

[3] Tajic L，Bednr L，Hoznedl M.Exhaust Hood for the Steam Turbines of Single-Flow Arrangement[J].CMP Turbomachinery，2005.

[4] V F Kasilov.An Investigation of Facilities Acting on Swirl Flow in the Collection Chamber of the Exhaust Hoods for the Low-Pressure Cylinder in Steam Turbines[J].Thermal Engineering，2000，47（11）：984-990.

[5] 付經綸，周嗣京，劉建軍.軸流透平與排汽系統間的相互作用研究[J].工程熱物理學報，2008，29（4）：567-572.

[6] 趙寶珠，郭玉雙.300 MW汽輪機排汽通道氣動性能的研究[J].汽輪機技術，2002，44（5）：282-284.