楊元龍

(中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064)

船舶主汽輪機(jī)撤汽管路系統(tǒng)撤汽性能分析

楊元龍

(中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064)

為提高船舶主汽輪機(jī)的機(jī)動(dòng)性和熱力系統(tǒng)汽水穩(wěn)定循環(huán)特性，明晰船舶主機(jī)撤汽過程中撤汽系統(tǒng)性能,以某船主汽輪機(jī)撤汽管路系統(tǒng)為原型，基于船舶蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)分析主汽輪機(jī)撤汽系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)理，利用CFD數(shù)值模擬的方法計(jì)算主機(jī)撤汽管路系統(tǒng)壓力場(chǎng)和流速場(chǎng)的穩(wěn)態(tài)變化特性，結(jié)果表明，在主機(jī)撤汽過程內(nèi)，撤汽流速逐漸增大，撤汽溫度略有升高，撤汽湍動(dòng)能和壁面剪切應(yīng)力快速升高，撤汽壓力不斷降低，撤汽流量不斷升高，由此判定船舶主機(jī)撤汽方法滿足主汽輪機(jī)機(jī)動(dòng)性和熱力系統(tǒng)的性能要求，供實(shí)船蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)參考。

主汽輪機(jī)；撤汽性能；廢汽系統(tǒng)；CFD

船舶主汽輪機(jī)的撤汽性能是船舶蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)。主機(jī)撤汽能力的強(qiáng)弱不僅影響船舶主汽輪機(jī)組的機(jī)動(dòng)能力，更制約船舶汽水穩(wěn)定循環(huán)的復(fù)雜熱力系統(tǒng)與多型汽輪輔機(jī)[1-2](如渦輪增壓機(jī)組、汽輪給水泵、汽輪滑油泵等)滑參數(shù)做功的匹配性能[3-4]。在船舶的熱力系統(tǒng)運(yùn)行過程中，使各型輔助背壓式汽輪機(jī)做完功的具有較高品質(zhì)的蒸汽匯總于廢汽母管，廢汽通過母管去其他蒸汽用戶(如除氧器、冷凝器等)，從而構(gòu)成經(jīng)典式汽水循環(huán)熱力系統(tǒng)。但主汽輪機(jī)處于高工況運(yùn)行時(shí)，基于船舶動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)除氧器預(yù)熱蒸汽流量不足現(xiàn)象。為合理匹配廢汽母管耗汽壓力和流量，且不影響主汽輪機(jī)組的機(jī)動(dòng)性能，從高壓汽輪機(jī)和低壓汽輪機(jī)的蒸汽連接管路中抽取部分蒸汽，補(bǔ)給高負(fù)荷運(yùn)行條件下的廢汽總管，建立主汽輪機(jī)組的撤汽系統(tǒng)。主機(jī)撤汽系統(tǒng)運(yùn)行特性對(duì)船舶熱力系統(tǒng)穩(wěn)定循環(huán)造成很大影響，因此準(zhǔn)確揭示船舶主汽輪機(jī)撤汽性能對(duì)船舶蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)穩(wěn)定安全運(yùn)行極其重要。

目前對(duì)船舶主汽輪機(jī)組運(yùn)行特性的研究，主要集中于船舶自然滑行條件下住汽輪機(jī)回汽制動(dòng)特性[5-6]和船用汽輪機(jī)功頻控制系統(tǒng)的PID仿真分析[7-8]。鑒于船舶主汽輪機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)的封鎖，鮮有關(guān)于主汽輪機(jī)撤汽性能研究的文獻(xiàn)報(bào)道。本文基于實(shí)船蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，分析主汽輪機(jī)撤汽系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)理；利用CFD方法數(shù)值模擬了主機(jī)撤汽管路系統(tǒng)壓力場(chǎng)和流速場(chǎng)的穩(wěn)態(tài)變化規(guī)律，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好；引入實(shí)際熱力系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)作為動(dòng)態(tài)計(jì)算的邊界條件，得到撤汽時(shí)間、撤汽壓力和撤汽流量等關(guān)鍵性能參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化特性，從而為船舶主汽輪機(jī)性能的設(shè)計(jì)及熱力系統(tǒng)的優(yōu)化提供技術(shù)支撐。

1 撤汽機(jī)理分析

圖1所示為主汽輪機(jī)撤汽系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖。

圖1 撤汽系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理示意

該撤汽系統(tǒng)裝置由高壓汽輪機(jī)、低壓汽輪機(jī)、廢汽母管及其他蒸汽用戶組成。高、低壓汽輪機(jī)的連通管用于將高壓汽輪機(jī)做完功的具有高品質(zhì)的蒸汽通入低壓汽輪機(jī)繼續(xù)做功，產(chǎn)生推力而推動(dòng)船舶航行。連通管和廢汽母管之間的撤汽管路系統(tǒng)用于抽出部分高壓汽輪機(jī)做完功的蒸汽，引入廢汽母管來補(bǔ)充廢汽較高的耗汽量。

基于系統(tǒng)特性分析，主機(jī)撤汽技術(shù)是在主汽輪機(jī)高工況運(yùn)行時(shí)，在不影響主機(jī)機(jī)動(dòng)性能基礎(chǔ)上，將高低壓連通管中高品質(zhì)的蒸汽抽出，對(duì)廢汽母管進(jìn)行補(bǔ)汽。基于設(shè)計(jì)本質(zhì)分析，撤汽管路系統(tǒng)是蒸汽動(dòng)力管網(wǎng)中多型管路圖譜，用于合理配置流動(dòng)阻力，以匹配不同熱力系統(tǒng)接口參數(shù)?；谶\(yùn)行機(jī)理分析，由于主汽輪機(jī)汽缸及葉柵結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的限制，主機(jī)不允許長(zhǎng)時(shí)間撤汽，因此在規(guī)定的撤汽時(shí)間范圍內(nèi)，需要合理匹配主汽系統(tǒng)和廢汽系統(tǒng)的流量，并準(zhǔn)確控制廢汽母管中高低參數(shù)蒸汽摻混的不可逆熱力過程。

2 數(shù)學(xué)物理模型

由于船舶主汽輪機(jī)撤汽過程是很復(fù)雜的熱工水力演變過程，伴隨著流動(dòng)、傳熱和熱力學(xué)參數(shù)轉(zhuǎn)換過程。根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)管網(wǎng)配置結(jié)構(gòu)，基于ICEM軟件進(jìn)行撤汽管路物理模型的簡(jiǎn)化和構(gòu)建，然后利用CFX12軟件的前處理和后處理模塊求解質(zhì)量方程、動(dòng)量方程、能量方程和湍流方程，采用全隱式耦合算法迭代計(jì)算流速與壓力的耦合求解過程，最終完成撤汽管路系統(tǒng)數(shù)值計(jì)算模型的建模、離散與求解。

2.1 物理網(wǎng)格模型

圖2給出船舶主汽輪機(jī)撤汽系統(tǒng)管路結(jié)構(gòu)圖。如圖2所示，撤汽系統(tǒng)管路主要由高低壓連通管和撤汽管構(gòu)成，高壓汽輪機(jī)進(jìn)口蒸汽分別通過高低壓連通管流入低壓汽輪機(jī)和通過撤汽管進(jìn)入廢汽母管。高低壓連通管的長(zhǎng)度為4.7 m，管子內(nèi)徑為0.4 m，彎管半徑為0.4 m；撤汽管的長(zhǎng)度為7.5 m，管子內(nèi)徑為0.11 m，彎管半徑為0.11 m。

圖2 撤汽管路結(jié)構(gòu)

如圖3所示，采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分方式對(duì)管路進(jìn)行網(wǎng)格處理，采用O網(wǎng)格劃分技術(shù)對(duì)管壁區(qū)域添加邊界層網(wǎng)格，提高壁面聚集網(wǎng)格點(diǎn)的效率。網(wǎng)格近壁無量綱尺寸Y+為28～37，準(zhǔn)確模擬近壁區(qū)域湍流結(jié)構(gòu)，規(guī)避數(shù)值求解的偽擴(kuò)散。根據(jù)不同參數(shù)設(shè)定和網(wǎng)格疏密程度的計(jì)算，最終確定網(wǎng)格模型共包括420 000個(gè)網(wǎng)格單元。

圖3 網(wǎng)格模型

2.2 數(shù)學(xué)模型

利用連續(xù)性方程、N-S方程和能量方程[9]計(jì)算撤汽管路系統(tǒng)的流動(dòng)與傳熱規(guī)律，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型[10]計(jì)算撤汽系統(tǒng)湍流脈動(dòng)規(guī)律。其輸運(yùn)方程表達(dá)式見參考文獻(xiàn)[11]。

2.3 邊界條件

根據(jù)實(shí)際船舶高壓汽輪機(jī)、低壓汽輪機(jī)和廢汽母管運(yùn)行參數(shù)，設(shè)置數(shù)值模擬的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)邊界條件：高壓汽輪機(jī)進(jìn)口蒸汽壓力為0.5 MPa，進(jìn)口溫度為200 ℃，低壓汽輪機(jī)出口蒸汽壓力為0.42 MPa，廢汽母管出口蒸汽壓力為0.2 MPa，撤汽時(shí)間為10 min，蒸汽物性參數(shù)的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)均來自IAPWS IF97數(shù)據(jù)庫，出口區(qū)域流動(dòng)為充分發(fā)展態(tài)，管壁處理無滑移邊界條件。

3 撤汽性能驗(yàn)證分析

3.1 穩(wěn)態(tài)撤汽性能驗(yàn)證

為保證主汽輪機(jī)的機(jī)動(dòng)性并提高動(dòng)力系統(tǒng)熱效率，主汽輪機(jī)的撤汽系統(tǒng)性能參數(shù)應(yīng)保持在一定范圍內(nèi)，通過設(shè)計(jì)準(zhǔn)確可靠的計(jì)算撤汽系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行參數(shù)是非常困難的，但可通過數(shù)值模擬進(jìn)行計(jì)算，數(shù)值模擬結(jié)果見圖4和圖5。

圖4 連通管壓力變化

圖5 撤汽管壓力變化

圖4給出了高低壓連通管內(nèi)蒸汽壓力變化曲線。由圖可見，沿著高低壓連通管路的沿程長(zhǎng)度方向，過熱蒸汽壓力逐漸降低。主要是因?yàn)樵谶^熱蒸汽通過高低壓連通管去低壓汽輪機(jī)做功的過程中，蒸汽流速較高(設(shè)計(jì)流速在60～80 m/s)，促使連通管和過熱蒸汽存在的摩擦阻力更大，導(dǎo)致蒸汽壓力降低。同時(shí)，高低壓連通管上設(shè)置兩個(gè)直角彎頭，其彎曲半徑尺寸約為管路當(dāng)量直徑，使彎曲半徑較小，蒸汽流動(dòng)的局部阻力較大。因此，在摩擦壓降和局部流動(dòng)壓降的聯(lián)合作用下，高低壓連通管內(nèi)過熱汽流動(dòng)壓力逐漸下降。從圖中還可以看出，數(shù)值計(jì)算的過熱蒸汽壓力與試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)吻合較好，進(jìn)一步驗(yàn)證本文模擬計(jì)算的準(zhǔn)確性和數(shù)值方法的合理性。

圖5給出了撤汽管路內(nèi)蒸汽壓力變化規(guī)律。由圖5可見，在撤汽管路長(zhǎng)度小于1.5 m內(nèi)，撤汽壓力呈先快速下降然后沿著撤汽管沿程方向撤汽壓力緩慢降低的變化規(guī)律。究其原因主要是撤汽管路當(dāng)量流動(dòng)直徑尺寸為110 mm，小于高低壓連通管的直徑尺寸(直徑為400 mm)，導(dǎo)致過熱汽流動(dòng)阻力較大；另外，在主機(jī)管路上撤汽點(diǎn)附近的流域(管長(zhǎng)小于1.5 m)，為避免不同系統(tǒng)管網(wǎng)的干涉，撤汽管路上設(shè)置兩個(gè)相鄰較近的直角彎頭，增大了撤汽管路的局部流動(dòng)阻力?；谏鲜龇治隹芍菲到y(tǒng)管路內(nèi)流體壓力先快速下降再緩慢降低；從圖中還可以看出，數(shù)值計(jì)算的撤汽壓力與試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合。另外，在高低壓連通管和撤汽管接觸的撤汽點(diǎn)附近流域，撤汽壓力能快速轉(zhuǎn)化為蒸汽的動(dòng)能，導(dǎo)致蒸汽沖擊流速較高，且撤汽管路流通截面減小，引發(fā)過熱蒸汽湍流微團(tuán)混亂，流場(chǎng)脈動(dòng)劇烈。因此，在撤汽點(diǎn)的局部流域撤汽動(dòng)能損失量較大。

3.2 動(dòng)態(tài)撤汽性能分析

圖6給出了撤汽流量隨時(shí)間變化的曲線。由圖可知，沿著時(shí)間的推移，撤汽流量逐漸增大。當(dāng)撤汽時(shí)間等于10 min時(shí)，主機(jī)撤汽最高流量達(dá)到0.36 kg/s。由于主汽輪機(jī)汽缸強(qiáng)度的要求，使得主機(jī)高工況運(yùn)行限制在一定允許的時(shí)間范圍內(nèi)，同時(shí)為合理匹配主機(jī)的耗汽量，規(guī)定在10 min內(nèi)主汽輪機(jī)組允許最大撤汽流量為0.37 kg/s。通過數(shù)值模擬計(jì)算的撤汽流量與某船主汽輪機(jī)組設(shè)計(jì)參數(shù)的對(duì)比可知，主機(jī)撤汽流量滿足裝備性能指標(biāo)要求。

圖7給出了撤汽壓力隨時(shí)間變化的曲線。由圖可知，由于隨著時(shí)間的推移，撤汽流量不斷增大，流動(dòng)阻力升高，導(dǎo)致撤汽壓力逐漸降低。在10 min的撤汽時(shí)間內(nèi)，高低壓連通管和撤汽管連接位置的撤汽點(diǎn)過熱蒸汽壓降為600 MPa，高低壓連通管的壓降波動(dòng)較小，壓降數(shù)量級(jí)遠(yuǎn)小于低壓汽輪機(jī)運(yùn)行的汽力所需參數(shù)，對(duì)低壓汽輪機(jī)的動(dòng)力推進(jìn)性能影響較小。當(dāng)撤汽時(shí)間達(dá)到5 min時(shí)，高低壓連通管和撤汽管路的局部蒸汽壓力分布規(guī)律見圖8。

圖7 撤汽壓力變化

圖8 t=5 min撤汽壓力分布規(guī)律

圖9示出了撤汽流速隨時(shí)間變化的曲線。由圖9可見，由于撤汽壓力隨著時(shí)間的推移逐漸減小，使得撤汽動(dòng)壓力能增大，進(jìn)而導(dǎo)致撤汽流速逐漸升高。在10 min的撤汽時(shí)間內(nèi)，蒸汽流速在22～30 m/s的范圍之間變化，蒸汽流速升高梯度變化較小，最高流速小于過熱蒸汽流速標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)數(shù)值(即60 m/s)，促使流體對(duì)管路的沖擊動(dòng)量較小，高負(fù)荷工況下主汽輪機(jī)撤汽不易誘發(fā)高強(qiáng)度的流致振動(dòng)。當(dāng)撤汽時(shí)間達(dá)到5 min時(shí)，在撤汽點(diǎn)附近區(qū)域，撤汽管路上直角彎頭結(jié)構(gòu)的影響導(dǎo)致該區(qū)域出現(xiàn)小尺寸渦流，增加流體流動(dòng)的能量耗散損失，易引發(fā)撤汽管路的低頻脈動(dòng)。

圖9 撤汽流速變化

圖10和圖11給出了撤汽溫度隨時(shí)間變化的曲線和云圖。由圖可知，隨著時(shí)間的推移，由于蒸汽屬于可壓縮流體，使得大部分蒸汽壓力能轉(zhuǎn)化為動(dòng)力能，同時(shí)少部分蒸汽壓力能轉(zhuǎn)換為流體的熱力學(xué)能，導(dǎo)致撤汽溫度略有升高。

圖10 撤汽溫度變化

圖11 t=5 min撤汽溫度分布云圖

撤汽湍動(dòng)能隨時(shí)間變化的曲線見圖12。由圖可知，隨著撤汽時(shí)間的推移，由于撤汽流速不斷升高，撤汽流速變化梯度逐漸增大，導(dǎo)致湍動(dòng)能逐漸增大。圖13顯示了撤汽系統(tǒng)管路湍動(dòng)能的局部分布規(guī)律，在撤汽點(diǎn)附近流域，由于撤汽管對(duì)高低壓連通管的分流作用，增強(qiáng)了不同尺寸湍流微團(tuán)的動(dòng)量轉(zhuǎn)化，誘發(fā)該局部區(qū)域過熱蒸汽產(chǎn)生湍流脈動(dòng)，導(dǎo)致流體湍流動(dòng)能較大。

圖12 撤汽點(diǎn)湍動(dòng)能變化

圖13 t=5 min撤汽湍動(dòng)能分布云圖

圖14給出了撤汽點(diǎn)壁面剪切應(yīng)力隨時(shí)間的變化曲線。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，隨著撤汽時(shí)間的推移,撤汽點(diǎn)區(qū)域管路的壁面剪切應(yīng)力逐漸增大，主要是由于撤汽管路的局部流速不斷升高，流場(chǎng)結(jié)構(gòu)愈加混沌，湍流脈動(dòng)更劇烈，導(dǎo)致撤汽點(diǎn)壁面剪切應(yīng)力增大。因此，應(yīng)適當(dāng)提升撤汽管路材質(zhì)的硬度和強(qiáng)度。

圖14 撤汽點(diǎn)壁面剪切應(yīng)力變化

4 結(jié)束語

本研究引入實(shí)際熱力系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)作為計(jì)算邊界條件，基于主機(jī)撤汽性能的動(dòng)態(tài)計(jì)算研究，得到撤汽時(shí)間、撤汽壓力和撤汽流量等關(guān)鍵性能參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化特性，主要結(jié)論為隨著撤汽時(shí)間的推移，撤汽壓力不斷降低，最大壓降約為600 Pa，撤汽流速逐漸增大，撤汽溫度略有升高，撤汽湍動(dòng)能和壁面剪切應(yīng)力快速升高；在主機(jī)撤汽10 min內(nèi)，撤汽流量不斷升高，最大達(dá)到0.36 kg/s，滿足設(shè)備性能指標(biāo)要求。計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合。

主機(jī)的撤汽性能極其影響汽輪機(jī)組的做功能力，鑒于實(shí)際汽輪機(jī)的組成結(jié)構(gòu)和運(yùn)行特性極其復(fù)雜，本研究在忽略汽輪機(jī)模型的假設(shè)條件下，通過邊界條件簡(jiǎn)化方法數(shù)值模擬得到汽輪機(jī)的撤汽特性。后續(xù)將在某大型試驗(yàn)中進(jìn)一步摸索不同工況下主汽輪機(jī)撤汽動(dòng)態(tài)性能。同時(shí)，基于該數(shù)值模擬研究結(jié)果優(yōu)化實(shí)際主機(jī)撤汽運(yùn)行方案，以充分平衡并匹配主汽輪機(jī)組的熱效率與熱力系統(tǒng)的汽水循環(huán)特性。

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Study on Evacuated-steam Performance of the Evacuated-Steam Pipeline of Ship's Main Steam Turbine

YANG Yuan-long

(China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China)

In order to improve maneuverability of the main steam turbine and steam/water circulated characteristics for thermodynamic system, its evacuated-steam performance is researched. The evacuated-steam pipeline of some steam turbine is taken as the prototype, the operating mechanism is analyzed based on the design experience for ship steam power system. The steady characteristics of pressure and velocity field for evacuated-steam pipeline are calculated by method of CFD simulation. The numerical results show that the evacuated-steam velocity increases gradually, temperature rises slightly, the turbulence kinetic energy and wall shear increases rapidly, and the mass-flow increased gradually, which could satisfy demand for equipment performance indicator. These could provide technical support for optimizing ship steam power system.

main steam turbine; evacuated-steam performance; spent steam system; CFD

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.06.017

2015-07-06

國(guó)家自然科學(xué)基金(51309063)

楊元龍(1986-)，男，碩士，工程師

U664.5

A

1671-7953(2015)06-0073-04

修回日期：2015-08-03

研究方向:艦船蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)及性能仿真

E-mail: long31609@163.com