陳陽

(東方汽輪機有限公司， 四川 德陽， 618000)

幾種多進口多出口連通管的性能分析

陳陽

(東方汽輪機有限公司， 四川 德陽， 618000)

文章對某大型機組擬采用的多進口多出口連通管進行 CFD 分件， 研究了兩種單管和一種雙管型式的連通管， 指出對于單管連通管，在進口處不宜設(shè)置導(dǎo)流環(huán)；同時也指出雙管連通管在氣動性能上具有一定優(yōu)越性。在實際應(yīng)用中，可根據(jù)具體情況選用進口不設(shè)置導(dǎo)流環(huán)的單管或者雙管型式的連通管。

汽輪機；連通管；導(dǎo)流環(huán)

0 引言

大型蒸汽輪機組中，中壓缸排汽口和低壓缸進汽口連接起來的管道通常被稱為中低壓連通管。通常連通管管內(nèi)蒸汽溫度在二三百度，且流量較大， 管徑較粗， 而長度則可達(dá)四五米， 甚至 20多米。因此，連通管除了應(yīng)該考慮增加膨脹節(jié)以吸收脹差值外，還應(yīng)考慮它的流動氣動性能。

連通管由于機組整體結(jié)構(gòu)布置的需要，通常至少會經(jīng)歷兩次 90°彎轉(zhuǎn)， 根據(jù)彎轉(zhuǎn)處是否加導(dǎo)流環(huán) （也可由導(dǎo)流葉片環(huán)形成）， 連通管可分為在彎角處帶導(dǎo)流環(huán)和不帶導(dǎo)流環(huán)的兩種形式。

王貴良等[1]對帶導(dǎo)流片的連通管進行了模擬吹風(fēng)試驗研究，指出在連通管拐彎處合理設(shè)置導(dǎo)流片，減少了前后連通管流量分配的不均度，降低了連通管總壓損失。 崔賢基[2]、 譚宗立[3]等則指出，無導(dǎo)流葉片環(huán)的連通管在經(jīng)濟性和安全性上都強于帶導(dǎo)流葉片環(huán)結(jié)構(gòu)的連通管。

常見的連通管是由一個進口和兩個出口通過一根管子相連而形成三通形式呈現(xiàn)的。然而隨著機組的發(fā)展和汽缸數(shù)量的增加，連通管就出現(xiàn)了多個進口多個出口的情況。通常連通管內(nèi)蒸汽流速一般是限定在 50～70m/s， 這種情況下， 隨著蒸汽流量的快速增加，連通管管徑將增大，管壁變厚，會帶來管道布置困難、管壁應(yīng)力增加、支吊架設(shè)計困難等一系列問題。

本文對某大型機組擬采用的多進口多出口連通管進行 CFD 分析， 研究了兩種單管和一種雙管型式的連通管在氣動性能上的差異，研究結(jié)果為這種多個進口多個出口的連通管在型式選擇上提供了重要參考。

1 單管型式連通管的氣動分析

對于單管連通管，本文分別對在第二進口處是否加導(dǎo)流環(huán)而形成的兩種模型進行了分析。

圖1和圖2分別是這兩種型式單管連通管的幾何模型示意圖。為方便起見，本文稱圖1所示模型為模型A， 稱圖2所示模型為模型 B。 這兩個模型都是由兩個進口和兩個出口組成，總長約23m， 管 徑 在 細(xì) 處 為 Φ1760mm， 在 粗 處 為Φ2500mm。 唯一不同的是， 模型 A 在 INLET2 融入粗管時增設(shè)了一圈導(dǎo)流環(huán)。

圖1 模型A幾何模型示意圖

圖2 模型B幾何模型示意圖

本文對以上兩模型在相同條件下采用 CFX 進行了定常分析。 計算中所使用的工質(zhì)采用 IAPWSIF97 水蒸汽模型， 蒸汽進口總流量為 455.513kg/s，

進汽溫度 344.7℃， 出口蒸汽壓力 0.447MPa。對于計算結(jié)果，本文首先從模型的流線圖上進行定性分析。

圖3是模型A的三維流線圖，從流線上可以看出， 在 INLET2 處增設(shè)導(dǎo)流環(huán)后， 從 INLET1 進入的蒸汽大多經(jīng)由 OUTLET2 流出， 而從 INLET2進入的蒸汽大多經(jīng)由 OUTLET1 流出。 圖4 和圖5分別是模型 A 從 INLET1 和 INLET2 開始的三維流線圖，從而更清晰地看到了這一點。由此可以推斷， 來自 INLET1 的那部分蒸汽， 其能量損失會遠(yuǎn)大于來自 INLET2 的那部分蒸汽的能量損失； 另外， 從圖中也可以看出， 蒸汽在 OUTLET1 處的速度明顯大于 OUTLET2 處的速度。 這樣相同參數(shù)狀態(tài)的蒸汽從進口流入，但在從兩個出口流出時，蒸氣的相關(guān)參數(shù)卻有了較大的差異，而大的差異對于低壓缸來說，并不是一件好事。

圖3 模型A的三維流線圖

圖4 模型 A 三維流線圖 （INLET1）

圖5 模型 A 三維流線圖 （INLET2）

類似地，我們對模型B的流線進行同樣的分析。 圖6～圖8 分別給出了該模型的流線圖。 從流線圖中， 我們明顯地看到， 從 INLET1 進入的稍占多數(shù)的蒸汽經(jīng)由 OUTLET1 流出， 而從 INLET2 進入的稍占多數(shù)的蒸汽經(jīng)由 OUTLET2 流出， 但流量的這種差別與模型A相比已大為減小。由此也可以斷定，相比模型A，來自兩個進口的兩部分蒸汽，其最終能量損失的差別也大為減??；另外，從圖中也可以看出，蒸汽在兩個出口處速度的差異也明顯地減小，兩股蒸汽在出口處的狀態(tài)參數(shù)也將均勻一些，這將是有利的一點。

圖6 模型B的三維流線圖

圖7 模型 B 三維流線圖 （INLET1）

圖8 模型 B 三維流線圖 （INLET2）

為了定量地比較各種連通管的性能差異，本文用總壓損失系數(shù)ζ來進行評估，這里總壓損失系數(shù)的定義采用式 （1） 的形式。

其中，P*in為連通管進口處的總 壓； P*out為連通管出口處的總壓； ρin和 νin分別表示連通管進口處的密度和速度。

對于連通管，因為流速不高，可以認(rèn)為式（1） 與式 （2） 等價， 式 （2） 中 Pin為連通管進口處的靜壓。

另外，根據(jù)需要本文將用流量平均的方法來綜合評判兩個進口 （出口） 處參數(shù)的均值。 蒸汽的某參數(shù) η 在進口處的流量平均定義如式 （3）（出口處各參數(shù)的流量平均類似定義）。

其中， ηinlet1和 ηinlet2分別表示參數(shù) η 在 INLET1和 INLTE2 處的參數(shù)值； minlet1和 minlet2分別表示參數(shù) η 在 INLET1 和 INLET2 處的流量值。

表1對上面兩種單管連通管模型在各個進出口的一些參數(shù)進行了匯總。

在表1 中， MASS 表示流量 （kg/s）， V 表示速度 （m/s）， 下劃線后面是相應(yīng)參數(shù)所在的位置。另外表1 中的 V_INLET （V_OUTLET） 表示連通管兩個進口 （兩個出口） 速度的流量平均值。

表1 進出口參數(shù)匯總表

從表1可以看出，無論是流量還是速度，模型B兩個進口 （兩個出口） 之間的參數(shù)值都要比模型A相應(yīng)位置之間的參數(shù)值更為接近，也就是說，兩股蒸汽在模型B中的流動要更為均勻一些。這與上面從流線圖上得到的結(jié)論是一致的。

表2 是利用式 （2） 計算得到的總壓損失系數(shù)， 計算中所用到的進口總 （靜） 壓均采用兩個進口處總 （靜） 壓的流量平均。 其中， ζ_OUTLET1 和ζ_OUTLET2 分別是在 OUTLET1 和 OUTLET2 處取總壓求得， 而 ζ則是由兩個出口總壓的流量平均值得到的，它表征了模型的總體能量損失特性。

表2 總壓損失系數(shù)表

從表2可以看出，在分別以兩個出口為基準(zhǔn)所求得的總壓損失系數(shù)中， 模型 A 以 OUTLET1 為基準(zhǔn)所求得的總壓損失系數(shù)最小， 以 OUTLET2 為基準(zhǔn)所求得的總壓損失系數(shù)最大；因為在兩進口處蒸汽參數(shù)完全相同，所以這也可以近似地理解為， 模型 A 中經(jīng)由 OUTLET1 的那部分氣流在流動中具有最小的總壓損失， 而經(jīng)由 OUTLET2 的那部分氣流在流動中具有最大的總壓損失。

對于兩種模型，從它們的總體性能來看，模型B總壓損失小于模型A，所以模型B要優(yōu)于模型A。 對于這一點，可以認(rèn)為是蒸汽在模型B中的流動更為均勻的緣故。

2 雙管型式連通管的氣動分析

雙管形式連通管就是指由兩根相互獨立的管子組成的連通管。這樣的連通管一個進口只對應(yīng)一個出口，兩個管子中的兩股汽流互不干擾，如圖9所示，本文稱該模型為模型 C。 模型 C 總長度 23m，均勻管徑 Φ1760mm。

圖9 模型C幾何模型示意圖

對模型C采用與單管相同的方法進行分析，網(wǎng)格的劃分以及計算中所采用的工質(zhì)、進出口邊界條件等設(shè)置與單管計算時完全一致，進而保證了文中幾個模型計算結(jié)果的可比性。

圖10是模型C的三維流線圖。

圖10 模型 C的三維流線圖

模型C一個進口只對應(yīng)一個出口，汽流在兩個管子中不會互相干擾，流動相對簡單。計算結(jié)果也表明，模型C進出口流量絕對均分，且汽流相關(guān)參數(shù)也較為均勻，模型C進出口參數(shù)及總壓損失系數(shù)見表3。 其中， 表3中各項的定義與單管相應(yīng)各項的定義完全相同。

表3 模型C性能匯總表

3 分析與結(jié)論

本文所提及的三個模型，首先在幾何上嚴(yán)格保證了相似，并且在網(wǎng)格劃分以及后續(xù)計算分析時采用了完全相同的方法和設(shè)置，從而保證了三個模型計算結(jié)果的可比性。

對于單管兩個模型：一方面，根據(jù)上面的分析知道，模型B是優(yōu)于模型A的，或者說對于單管型式的連通管，進口處不帶導(dǎo)流環(huán)的連通管在氣動性能上是比進口處帶導(dǎo)流環(huán)的連通管優(yōu)越的；另一方面，增設(shè)導(dǎo)流環(huán)會增加生產(chǎn)成本，而且導(dǎo)流環(huán)自身也還存在一個安全可靠性的問題，這一點與文獻(xiàn) [2] 和 [3] 中提出的問題如出一轍。 所以綜合考慮，對于單管形式的連通管，在實際應(yīng)用中，應(yīng)優(yōu)先采用B模型，在進口處還是以不設(shè)置導(dǎo)流環(huán)為好。

對于單雙管型式的連通管，比較模型B和模型C， 可以看到， 模型C的總壓損失系數(shù)是小于模型B的總壓損失系數(shù)的。

如果單從氣動角度考慮，應(yīng)優(yōu)先選擇模型C這種雙管型式的連通管。然而雙管型式可能會增加連通管的耗材，在這一點上又是不經(jīng)濟的。

所以對于這種多進口多出口的連通管，在實際應(yīng)用中是采用雙管還是單管的型式，需要綜合管道耗材、管道布置、支吊架設(shè)計等問題來考慮。當(dāng)管徑不是太粗并且也不會引起一些其它問題的時候，可以優(yōu)先采用模型B結(jié)構(gòu)的連通管，否則采用模型C這種雙管型式的連通管。

綜合本文上面所做的分析，對于多進口多出口的連通管，可以得出如下結(jié)論：

（1） 對于單管連通管， 在進口處不宜設(shè)置導(dǎo)流環(huán)結(jié)構(gòu)；

（2） 雙管連通管氣動性能優(yōu)于單管連通管，某些條件下可以考慮采用雙管連通管；

（3） 實際應(yīng)用中， 設(shè)計者應(yīng)根據(jù)具體情況選用進口不帶導(dǎo)流環(huán)的單管連通管或者雙管連通管，以求得最佳的經(jīng)濟性。

[1] 王貴良,楊明.汽輪機高低壓缸連通管氣動性能試驗研究[J]. 熱能動力工程,2000,15 （5）： 485-487,577

[2] 崔賢基,張貴林.大型汽輪機兩種結(jié)構(gòu)形式的中低壓連通管比較分析[J]. 機械工程師,2011 （5）： 61-63

[3] 譚宗立.中低壓缸連通管數(shù)值模擬與導(dǎo)流葉片可靠性分析[J]. 汽輪機技術(shù),2010， 52 （4）： 247-249

Performance Analysis for Some Kinds of Cross-over Pipes w ith Mutiple Inlets and Mutiple Outlets

Chen Yang
（Dongfang Turbine Co.,Ltd.Deyang Sichuan 618000）

A kind of cross-over pipe withmutiple inlets andmutiple outlets used in a large-scale unit is analyzed with CFD in this article.Two kinds of cross-over pipes with single pipe and the third kind of cross-over pipe with double pipes are studied.And it indicates that guide ring is not suitable to set at the inlet of the cross-over pipe for a single pipe,and that the cross-over pipe with double pipes is better than the one with a single pipe in the aerodynamic performance.In a practical application,the cross-over pipeswith a single pipe or double pipeswhich are no guide ring at the inlets are used according to the actual conditions.

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陳陽 （1983-）， 男， 工程師， 2008 年 6 月畢業(yè)于中國科學(xué)院力學(xué)研究所， 現(xiàn)主要從事汽輪機產(chǎn)品設(shè)計。