側向凝汽器導流板設計方法的探討

陳光銀,李子鈞

(杭州汽輪輔機有限公司,浙江杭州310021)

側向凝汽器導流板設計方法的探討

陳光銀,李子鈞

(杭州汽輪輔機有限公司,浙江杭州310021)

在軸向排汽汽輪機裝置中,由于后軸承座對蒸汽流的阻擋作用,在凝汽器進汽口的前部,將出現較強且不穩定的旋渦。為了防止旋渦的產生,可加裝導流板裝置。為此,著重討論了側向凝汽器進汽口導流板的設計方法,并使用CFD軟件進行模似計算,以檢驗設計方案的適用性。同時,還設計了導流板固定裝置,利用CAE功能模塊,驗算了固定裝置的強度,最終確認了設計方案的可靠性。

凝汽器;軸向;側向;湍流;導流板;裝置;設計;方案

0 概 述

軸向排汽汽輪機,由于結構緊湊而備受歡迎。對于排汽口流場特性方面的研究很少,在某文章[1]中,曾討論了排汽流場的特性。排汽時,由于后軸承座對蒸汽流的阻擋作用,將對汽流形成阻礙效應并產生旋渦。為了消除排汽口的不穩定旋渦,提出了加導流板的設計方案。

1 側向凝汽器進汽口流場計算及特點

1.1 CFD模型

圖1 凝汽器的3D模型

側向凝汽器的3D模型,如圖1所示。為了便于討論,建立了一個包含與此問題相關特征的CFD模型[1]。如圖2所示,取凝汽器與排管組合體的1/4體積,作為計算區域。在計算模型中,包含后軸承座、管束、導流板。將管束建成多孔介質模型[7-10],傳熱介質采用單相水蒸氣,湍流模型為k-ε雙程模型[2-3]。設計模型時,確定了更加合理的排汽口設計方案,使排汽管具有一定膨脹角,因為汽機排缸通常帶有一定膨脹角,所以,設計排汽口時,也近似地匹配了擴張角,如圖3所示。該模型的角度為12度。由于存在此角度,所以在蒸汽的進口段,形成了由圓形向橢圓形逐漸過渡的圓臺。

圖2 組合體計算模型

圖3 CFD模型中的進汽口角度

1.2 流場的特征

由于汽機軸承座的阻擋作用,在排汽管中心有個低速區域。在低速區域,氣流的回流嚴重,高速區與低速區有明顯的分界線,中心速度低,外環速度高,如圖4、圖5所示。高流速與中心旋渦區之間的過渡區域十分狹小,致使此區內的速度梯度相當大。過渡區域的流場是很不穩定的,這種不穩定性表現為引起管束振動[4,5,11]。圖6為蒸汽進入凝汽器前在參考截面上的流速分布,同樣也反映出中心旋渦所引起的速度梯度問題。增加導流板,就是為了消除旋渦,增加流場的穩定性。

圖4 垂直對稱面的流速分布

圖5 水平對稱面的流速分布

圖 6進入凝汽器前在參考截面上的流速分布

2 導流板的設計

2.1 導流裝置的安裝位置及角度

加裝導流裝置,可有效消除不穩定旋渦。對于消除不規則管道內的不穩定旋渦,較為簡單的辦法是等環面法[6],即可將排汽口有效面積分成若干等面積環。如圖7、圖8所示,有兩種等分方案:(1)由于截面為橢圓形,需分別按橢圓長軸、短軸尺寸劃分面積,與有效環面積均等。(2)按長軸、短軸尺寸,均分整個排汽口的面積。

在等分方案(1)中,有效環面積的計算為:

圖7 導流板的安裝位置

圖8 導流板的安裝角度(在垂直對稱面內)

在等分方案(2)中,面積的計算為:

在式(1)、式(2)中:S環為加導流板處排管截面積與軸承座占面積之差;S為加導流板處截面積;R為加導流板處截面的長半軸或者短半軸;r為軸承座直徑;r1、r2、…rn分別為n個等分導流板半徑(從大到小排列)。

依次解出各導流板半徑。導流板的安裝角度,可根據經驗或利用已有的流場計算結果進行確定。如依據圖4、圖5中速度的分布特點,可將中心位置導流板的傾斜角度設置得大一些,而將環中間位置導流板的角度設置得小一些,在兩個截面上分別按期望的流動方向,擺放導流板,并利用圖7所示的橢圓,作為放樣路徑,對圖8、圖9確定的導流板截面進行放樣,即可得到導流板的安裝角度。

圖9 導流板的安裝角度(在水平對稱面內)

2.2 數值驗算及方案調整

在調整方案中,導流板數量n=5塊,并在每2塊導流板間,加裝1塊輔助導流板,共有9塊導流板,加裝位置在截面的長軸半徑上,R=2 120 mm,在短軸位置上,R'=1 782 mm;且按第二種等分方法,安裝導流板。計算的邊界條件:質量進口為260 t/h;出口壓力為5.5 kPa;蒸汽溫度約取52℃;管壁面假定為絕熱面;取軸線上的兩個面為對稱面。

計算后的結果,如圖10、圖11、圖12所示。導流板明顯改善了中心區域內流場的狀態,但在一些導流板的尾部,還顯示出局部流場的不均勻性。為此,可通過調整該處導流板位置,改善局部流場的不均勻性。

圖10 在水平對稱面上的流速分布(初步方案)

圖11 在垂直對稱面上的流速分布(初步方案)

圖12 進入凝汽器前參考截面上的流速分布(初步方案)

通過分析流場的分布情況,對導流板進行了調整。取消了導流板8、導流板9,并將導流板7放置在軸承座的正后方,以增強對旋渦的中心區域流場的改善。調整后,導流板的布置將更加合理。導流板的布置,如圖13所示。

圖13 導流板的布置(調整方案)

2.3 重新驗算設計數值

方案調整后,重新進行了CFD[14]模擬。計算的結果,如圖14、圖15、圖16所示。比較調整前的方案,流速分布顯得更均勻,且有效壓縮了中心旋渦區域,使旋渦區域不再與管束區域相交,有效地改善了流場的分布狀態。因此,將調整后的方案,作為最終設計方案。

圖14 水平對稱面上的流速分布(調整后)

圖15 在垂直對稱面上的流速分布(調整后)

圖16 進入凝汽器前參考截面上的流速分布(調整后)

3 導流裝置的強度與評估

整個導流裝置被置于汽輪機排汽口的高速氣流中,將受到蒸汽的沖擊。因此,在設計時,需考慮裝置自身的強度。導流板將受到流動方向上蒸汽沖擊力的作用。流場對各板的壓力分布,如圖17所示。

圖17 各塊板上受到的壓力分布

由于流場對導流板動態作用力的數值難以直接估計,故將每塊板受到的沖擊力放大10倍,作為靜態強度計算的載荷,使導流裝置具有足夠的強度,即便是被蒸汽流激發了振動,也有足夠的疲勞壽命[12,13]。從流場計算中,每塊板受到的沖擊力,如表1所示。

表1 各導流板受到的沖擊力

在10倍沖擊力的作用下,導流裝置位移0.7 mm,應力最大位置發生在與筒體相連處,為14 MPa,這樣的應力值,即是按汽輪機不調頻葉片[15-16]的標準進行評定,其強度也是足夠的。導流裝置的位移及應力分布,如圖18、圖19所示。

圖18 導流裝置在10倍沖擊力下的位移

圖19 導流裝置在10倍沖擊力下的應力分布

4 結 語

在側向凝汽器的蒸汽進口處,設置了導流裝置。采用CFD技術,對設計方案進行了計算,通過方案調整及重新計算,最終達到調整蒸汽進口流場的目的,消除中心旋渦對管束的不利影響。采用有限元方法,對導流裝置的強度作出了評估和計算,在載荷放在10倍的計算條件下,該導流裝置依然保有足夠的強度。

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Approach to Design Method of the Plate for Surface Condenser

CHEN Guang-yin LI Zi-jun
(Hangzhou Steam Turbine Auxiliary Equipment Co.Ltd.,Hangzhou 310021,Zhejiang,China)

In the axial exhaust steam turbine device,a strong and unstable vortex will appear in the front of the steam inlet of the condenser because of the blocking effect of the rear bearing seat on the steam flow.In order to prevent the vortex from being generated,the plate can be installed.For this reason,the design method of the inlet plate of the surface condenser is discussed,and the CFD software is used for the simulation calculation to verify the applicability of the design scheme.At the same time,the plate fixing device is designed,the strength of the fixing device is checked by the CAE function module,and the reliability of the design scheme is confirmed finally.

condenser;axial;surface;turbulence;plate;device;design;scheme

TK264.1+1

A

1672-0210(2017)02-0011-05

2017-02-17

陳光銀(1985-),男,工程師,畢業于浙江工業大學,從事電站設備制造方面的技術管理工作。