姚宏,周遜,王仲奇

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院,150001,哈爾濱)

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工業(yè)汽輪機(jī)補(bǔ)汽結(jié)構(gòu)對(duì)壓力損失的影響及優(yōu)化

姚宏,周遜,王仲奇

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院,150001,哈爾濱)

為改進(jìn)工業(yè)汽輪機(jī)補(bǔ)汽結(jié)構(gòu)的性能,應(yīng)用ANSYS-CFX軟件、以SST-RM湍流模型對(duì)流體混合產(chǎn)生的總壓損失進(jìn)行了詳細(xì)研究,分析了結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)總壓損失的影響,得出在不同流量比下,支流以60°夾角進(jìn)入主流,或者過渡段為圓角時(shí),T型通道具有較低的總壓損失。在此基礎(chǔ)上,優(yōu)化設(shè)計(jì)了一種截面為橢圓形且沿周向截面面積漸縮的補(bǔ)汽結(jié)構(gòu),優(yōu)化后的補(bǔ)汽結(jié)構(gòu)能夠有效控制補(bǔ)汽沿周向的密流分布及混合蒸汽的流動(dòng)方向,由此提高了整機(jī)性能。研究結(jié)果表明:補(bǔ)汽流動(dòng)方向與主流方向的夾角對(duì)流場(chǎng)有較大影響,優(yōu)化結(jié)構(gòu)的總壓損失系數(shù)在各工況下至少降低30%;截面形狀與截面面積變化對(duì)補(bǔ)汽的周向擴(kuò)散有較大影響,截面為橢圓形且截面面積沿周向漸縮時(shí)補(bǔ)汽結(jié)構(gòu)能夠提高密流周向分布的均勻度;采用混合總壓損失系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)偏差能夠有效評(píng)估補(bǔ)汽性能。

補(bǔ)汽結(jié)構(gòu);流動(dòng)混合;壓力損失;工業(yè)汽輪機(jī)

工業(yè)汽輪機(jī)是工業(yè)生產(chǎn)中重要的動(dòng)力設(shè)備,典型特征在于轉(zhuǎn)速高、結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)行靈活。帶有補(bǔ)汽裝置的工業(yè)汽輪機(jī)(帶有一次補(bǔ)汽也稱為雙壓汽輪機(jī))可充分利用工業(yè)生產(chǎn)中不同參數(shù)等級(jí)的蒸汽,實(shí)現(xiàn)能源的綜合梯級(jí)利用[1-2],相應(yīng)的研究已經(jīng)開展[3-5]。

在補(bǔ)汽流動(dòng)損失方面,Engelmann認(rèn)為級(jí)與級(jí)間發(fā)生的附加二次流損失缺乏相關(guān)研究[6],并為此建立了一種通過壁面摩擦應(yīng)力、壓強(qiáng)及接觸面積來計(jì)算壓損的方法,研究補(bǔ)汽通過周向槽進(jìn)入主流時(shí)對(duì)流場(chǎng)的影響[7]。王世柱等研究了補(bǔ)汽對(duì)透平級(jí)氣動(dòng)性能的影響[8]。

在損失機(jī)理方面,賈惟等研究了葉頂泄漏的損失來源和損失機(jī)理[17]。LI等研究了通過主動(dòng)控制渦輪葉尖泄漏來提高效率的方法[18]。一般來說,葉頂漏汽會(huì)在葉頂形成泄漏渦,改變附近的壓力分布,與無泄漏相比流體靜壓沿周向分布無論是變化幅度還是變化趨勢(shì),都發(fā)生了很大的變化,這對(duì)提高級(jí)的性能是不利的[19-20]。此外,馮嬌龍等研究了低溫余熱發(fā)電技術(shù)的雙壓系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化,指出主蒸汽與補(bǔ)汽的工作壓力在各自的約束范圍內(nèi)存在最佳匹配值[21]。

綜上所述,在主蒸汽與補(bǔ)汽工作壓力成最佳匹配的條件下,補(bǔ)汽結(jié)構(gòu)形式引起的蒸汽沿周向不均勻分布是造成級(jí)性能降低的主要因素。本文對(duì)T型通道的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了研究,并將研究結(jié)果應(yīng)用于工業(yè)汽輪機(jī)補(bǔ)汽結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 數(shù)值方法及驗(yàn)證

本文用ANSYS-CFX軟件進(jìn)行了數(shù)值研究,計(jì)算中采用了雙方程SST-RM湍流模型,網(wǎng)格劃分時(shí)壁面網(wǎng)格Y+<3,且具有較好的正交性和長寬比。

1.1 損失計(jì)算方法

為便于比較且與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)一致,研究中流動(dòng)損失采用文獻(xiàn)[6]中定義的總壓損失系數(shù),即

(1)

式中:pt,In為進(jìn)口總壓;pt,Out為出口總壓;pOut為出口靜壓。計(jì)算主流總壓損失系數(shù)時(shí)pt,In為主流進(jìn)口總壓,計(jì)算支流總壓損失系數(shù)時(shí)為支流進(jìn)口總壓。進(jìn)、出口壓力均取質(zhì)量加權(quán)平均值。

式(1)僅考慮了基于進(jìn)、出口的總壓損失,未考慮支流進(jìn)入主流后與主流的混合損失。在主流流量較小時(shí),計(jì)算出的主流總壓損失系數(shù)因進(jìn)口動(dòng)壓較小、流速增大而升高,相應(yīng)的總壓損失系數(shù)會(huì)出現(xiàn)負(fù)值;同理,在支流流量較小時(shí),支流總壓損失系數(shù)也會(huì)出現(xiàn)負(fù)值。為此,參照燃?xì)鉁u輪中冷氣摻混損失計(jì)算方法來計(jì)算支流與主流摻混后的混合總壓損失系數(shù),即

(2)

式中:mm為主流質(zhì)量流量;mb為支流質(zhì)量流量;ζm為主流總壓損失系數(shù);ζb為支流總壓損失系數(shù)。

采用標(biāo)準(zhǔn)偏差S來評(píng)估各參數(shù)沿周向分布的均勻度,此方法能夠定量分析數(shù)據(jù)點(diǎn)的分散程度,計(jì)算式為

通過對(duì)通道下經(jīng)肌間隙入路聯(lián)合固定并椎間融合術(shù)學(xué)習(xí)曲線的研究及其影響因素的分析探索，遵循學(xué)習(xí)曲線的規(guī)律，在學(xué)習(xí)曲線的上升期利用更多的時(shí)間掌握手術(shù)技巧，不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，降低并發(fā)癥發(fā)生率，對(duì)于該術(shù)式的順利開展和廣泛推廣具有重要意義。

(3)

1.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

由于T型通道的流動(dòng)混合與補(bǔ)汽流動(dòng)混合具有類似的流動(dòng)性質(zhì),所以本文首先完成T型通道流動(dòng)混合的數(shù)值模擬。在實(shí)驗(yàn)方面,Miller以水為工質(zhì)完成了通道截面為圓形的流動(dòng)混合實(shí)驗(yàn)[22],Idelchik以水為工質(zhì)完成了通道截面為矩形的流動(dòng)混合實(shí)驗(yàn)[23]。通道截面如圖1所示。考慮到工業(yè)汽輪機(jī)實(shí)際補(bǔ)汽結(jié)構(gòu),在進(jìn)行數(shù)值研究時(shí)將兩側(cè)面設(shè)置為周期性邊界,見圖1c。

(a)Miller實(shí)驗(yàn)通道(b)Idelchik實(shí)驗(yàn)通道(c)本文實(shí)驗(yàn)通道圖1 流動(dòng)混合通道示意圖

數(shù)值研究中支流截面面積與主流截面面積相同,網(wǎng)格數(shù)量為100萬左右,在壁面及流體混合處進(jìn)行了加密處理。依據(jù)實(shí)驗(yàn)中所采用的數(shù)據(jù),給定主流與支流進(jìn)口流量,出口靜壓給定為105Pa,雷諾數(shù)為21萬左右。

數(shù)值計(jì)算中支流流量mb與出口流量mo之比(簡稱流量比)從0%至100%變化,每增加5%計(jì)算一個(gè)工況。主流和支流的總壓損失系數(shù)分別按式(1)計(jì)算,混合總壓損失系數(shù)按式(2)計(jì)算,結(jié)果對(duì)比如圖2所示。由圖2可見:流量比較小時(shí),主流總壓損失系數(shù)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有較好的一致性,流量比較大時(shí)略有不同;流量比較大時(shí),Miller與Idelchik的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也有所差異,這是Miller采用了圓柱截面的管道,支流與主流管道連接處無圓角過渡(見圖1a),而Idelchik采用了矩形截面的管道,支流與主流管道連接處有圓角過渡(見圖1b)的緣故。因壁面摩擦作用使得矩形截面的流動(dòng)損失要高于圓形截面,圓角過渡則有助于降低流動(dòng)損失。另外,在數(shù)值計(jì)算中管道兩側(cè)設(shè)置了周期性邊界條件,這也是數(shù)值計(jì)算與實(shí)驗(yàn)中主流總壓損失系數(shù)存在差異的原因之一。

A:主流總壓損失;B:支流總壓損失;C:混合總壓損失圖2 總壓損失系數(shù)計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值比較

值得注意的是,支流的總壓損失系數(shù)在流量比小于27%時(shí)是負(fù)值,此時(shí)支流進(jìn)口總壓低于混合后的出口總壓,但由于主流的流量較大、流速較高,支流的流量較小、流速較低,使得支流靜壓仍高于主流靜壓,這類似于射流抽吸現(xiàn)象,即支流在進(jìn)入主流后流速提高、總壓升高。所以,按式(1)計(jì)算的總壓損失系數(shù)出現(xiàn)了負(fù)值,這意味著在流量較小時(shí),即使總壓低于主流總壓,支流也能順利進(jìn)入主流。這一點(diǎn)在工業(yè)汽輪機(jī)設(shè)計(jì)中選擇補(bǔ)汽壓力與主汽壓力時(shí)尤為重要。由圖2還可見:主流通道流動(dòng)方向不變,基于主流進(jìn)口的總壓損失系數(shù)隨流量比的變化也較為平緩;支流通道中流動(dòng)存在90°折轉(zhuǎn),總壓損失系數(shù)比較大,基于支流進(jìn)口的總壓損失系數(shù)隨流量比的變化較為劇烈;流量比小于60%時(shí),混合總壓損失系數(shù)略低于主流總壓損失系數(shù),高于支流總壓損失系數(shù);流量比大于60%時(shí),混合總壓損失系數(shù)高于主流總壓損失系數(shù),低于支流總壓損失系數(shù),3條曲線相交于流量比為60%左右。這一點(diǎn)與實(shí)際情況相符。

由數(shù)值計(jì)算與實(shí)驗(yàn)對(duì)比可知,流量比在0%至60%范圍內(nèi)兩者具有非常好的一致性;流量比在60%至100%范圍內(nèi)兩者略有偏差,但趨勢(shì)相同。這表明本文數(shù)值方法是可靠的。

2 參數(shù)化研究

圖3 不同結(jié)構(gòu)下主流總壓損失系數(shù)比較

為進(jìn)一步研究影響流動(dòng)混合損失的幾何因素,依據(jù)支流與主流連接段有/無圓角過渡,支流以90°、75°、60°和45°夾角進(jìn)入主流,設(shè)計(jì)了8種方案。流量比由0%至100%變化,每增加5%計(jì)算一個(gè)工況,每個(gè)方案計(jì)算21種工況。主流總壓損失系數(shù)隨流量比的變化如圖3所示。圖中R表示過渡段為圓角,圓角半徑為10%主流通道當(dāng)量水力直徑。由圖3可見:支流通道與主流通道連接處以圓角過渡時(shí),總壓損失大幅度降低;支流以小于90°的夾角進(jìn)入主流時(shí),總壓損失也有所降低,但對(duì)總壓損失的影響要小于圓角過渡;在各工況下,支流以60°的夾角進(jìn)入主流且?guī)в袌A角過渡時(shí),總壓損失系數(shù)最小;當(dāng)流量比大于50%、支流以小于60°夾角進(jìn)入主流,或支流與主流連接段以圓角過渡時(shí),主流總壓損失系數(shù)為負(fù)值,這意味著主流由進(jìn)口至出口段是一逆壓流動(dòng)過程。類似現(xiàn)象在圖2中也可看到,支流總壓損失系數(shù)在流量比小于27%時(shí)出現(xiàn)負(fù)值,即支流在一定的條件下出現(xiàn)逆壓流動(dòng)。

支流總壓損失系數(shù)比較如圖4所示。其與主流不同的是,支流的總壓損失系數(shù)隨流量比的增加而增大。流量比在0%至100%的條件下,支流的總壓損失系數(shù)增加幅度要大于主流總壓損失系數(shù),主要原因是支流與主流混合要經(jīng)過一個(gè)流動(dòng)方向折轉(zhuǎn)的過程,而主流則沒有這一折轉(zhuǎn)過程。當(dāng)支流的折轉(zhuǎn)角較小時(shí),支流總壓損失系數(shù)亦較小;當(dāng)連接處具有過渡圓角時(shí),總壓損失系數(shù)降低。

圖4 不同結(jié)構(gòu)下支流總壓損失系數(shù)比較

對(duì)比圖3與圖4可見:隨著支流流量的增加,主流總壓損失先增大后減小,或增幅減小(僅支流以90°夾角進(jìn)入主流且無過渡圓角),支流總壓損失開始增加較快,之后增幅減緩。

圖5 混合總壓損失系數(shù)比較

由式(2)計(jì)算出的混合總壓損失系數(shù)分布如圖5所示。由圖5可見:流量比小于27%時(shí),雖然主流總壓損失系數(shù)較大,但此時(shí)支流存在逆壓流動(dòng),支流總壓損失系數(shù)為負(fù)值,混合總壓損失系數(shù)仍較小;流量比大于27%時(shí),支流總壓損失系數(shù)增加較快,主流總壓損失系數(shù)增加幅度減緩,混合總壓損失系數(shù)仍呈現(xiàn)增大的趨勢(shì);支流與主流連接處有圓角過渡,或支流以小于90°夾角進(jìn)入主流時(shí),混合總壓損失系數(shù)在流量比范圍內(nèi)的增加幅度均比較緩慢;支流以60°夾角進(jìn)入主流,連接處以圓角過渡時(shí),混合總壓損失系數(shù)在各流量比下均比較小。

3 補(bǔ)汽蝸殼優(yōu)化設(shè)計(jì)

依據(jù)T型通道與補(bǔ)汽蝸殼的相似性,將以上對(duì)T型通道的分析結(jié)果用于補(bǔ)汽蝸殼的優(yōu)化。

典型的工業(yè)汽輪機(jī)補(bǔ)汽蝸殼結(jié)構(gòu)如圖6所示。補(bǔ)汽位置處于兩級(jí)之間,補(bǔ)汽由下部2個(gè)分支管道進(jìn)入汽輪機(jī)補(bǔ)汽蝸殼,在沿周向擴(kuò)散流動(dòng)的同時(shí)不斷轉(zhuǎn)為徑向流動(dòng),再由徑向進(jìn)入汽輪機(jī)內(nèi)部流道后與主流混合,混合流在其流動(dòng)方向由徑向折轉(zhuǎn)為軸向后進(jìn)入下一級(jí)做功。

圖6 工業(yè)汽輪機(jī)補(bǔ)汽蝸殼示意圖

補(bǔ)汽蝸殼采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,以保證壁面網(wǎng)格Y+<3,且具有較好的正交性和長寬比。表1給出了補(bǔ)汽蝸殼計(jì)算時(shí)的各項(xiàng)參數(shù)。

ANSYS-CFX軟件用于補(bǔ)汽蝸殼數(shù)值計(jì)算,湍流模型使用SST-RM模型。依據(jù)補(bǔ)汽蝸殼的蒸汽參數(shù),計(jì)算工質(zhì)采用了濕蒸汽工質(zhì)。本文數(shù)值計(jì)算中按實(shí)際蒸汽參數(shù)定義了新的濕蒸汽工質(zhì)。

表1 補(bǔ)汽蝸殼計(jì)算時(shí)的各項(xiàng)參數(shù)

為研究網(wǎng)格數(shù)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響,首先計(jì)算了原補(bǔ)汽蝸殼網(wǎng)格數(shù)分別為100萬、200萬、500萬和1 000萬時(shí)在不同流量比下的混合總壓損失系數(shù),如圖7所示?？傮w來看,網(wǎng)格數(shù)為200萬以上時(shí),總壓損失系數(shù)在不同流量比下分布趨勢(shì)基本相同,即網(wǎng)格數(shù)大于200萬時(shí)計(jì)算結(jié)果與網(wǎng)格數(shù)無關(guān)。為便于后處理中的數(shù)據(jù)提取、詳細(xì)研究流場(chǎng)細(xì)節(jié)、避免研究結(jié)果對(duì)網(wǎng)格數(shù)量的依賴性,本文對(duì)汽流交匯處及參數(shù)梯度較大處的網(wǎng)格進(jìn)行了加密處理,最終補(bǔ)汽蝸殼的網(wǎng)格數(shù)取1 000萬以上。

圖7 不同網(wǎng)格數(shù)下計(jì)算的混合總壓損失系數(shù)

相關(guān)文獻(xiàn)的研究結(jié)果及T形通道的研究結(jié)論表明,補(bǔ)汽周向均勻分布有利于提高級(jí)性能,補(bǔ)汽以小于90°夾角進(jìn)入主流能夠減小混合總壓損失。優(yōu)化設(shè)計(jì)中,研究了周向均勻分布時(shí)截面形狀及截面面積變化對(duì)補(bǔ)汽周向擴(kuò)散均勻度的影響,補(bǔ)汽以不同角度進(jìn)入主流的混合過程,以及過渡圓角直徑變化對(duì)混合過程的影響。

優(yōu)化的參數(shù)為補(bǔ)汽進(jìn)入主流通道的夾角、蝸殼截面的橢圓度,其中橢圓的短軸與補(bǔ)汽進(jìn)入主流通道的方向平行。在優(yōu)化過程中,依據(jù)補(bǔ)汽進(jìn)入主流通道的夾角設(shè)計(jì)了45°、60°、75°的3種結(jié)構(gòu),根據(jù)橢圓截面設(shè)計(jì)了長短軸之比分別為1.5、2、2.5的3種結(jié)構(gòu),由此形成9種方案。補(bǔ)汽蝸殼優(yōu)化設(shè)計(jì)前后的數(shù)值模擬均采用相同的方法進(jìn)行比較。

限于篇幅,優(yōu)化設(shè)計(jì)的中間過程省略,僅給出優(yōu)化后的結(jié)果與原型的比較。優(yōu)化設(shè)計(jì)與原型設(shè)計(jì)的主要區(qū)別在于:優(yōu)化后補(bǔ)汽進(jìn)入主流通道的夾角由90°改為60°;補(bǔ)汽蝸殼截面由沿周向截面面積漸縮的倒梯形改為長短軸之比為2,且沿周向截面面積漸縮的橢圓形;補(bǔ)汽與主流連接處由較小圓角過渡,改為圓角半徑為下游級(jí)通道10%葉片高度的圓角過渡。

4 計(jì)算結(jié)果分析

工業(yè)汽輪機(jī)補(bǔ)汽蝸殼內(nèi)流動(dòng)與T型通道混合流動(dòng)的一個(gè)顯著不同是,補(bǔ)汽在蝸殼內(nèi)有一個(gè)周向的擴(kuò)散流動(dòng),這也增加了補(bǔ)汽損失。

以式(2)計(jì)算主流與補(bǔ)汽的混合總壓損失系數(shù)隨流量比的變化如圖8所示。由圖8可見,優(yōu)化后,混合總壓損失系數(shù)在不同流量比下均大幅降低,即使在小流量比下也有30%的降幅,大流量比下混合總壓損失系數(shù)下降幅度更為明顯。

圖8 優(yōu)化前后不同流量比下的混合總壓損失系數(shù)

流量比在10%～55%范圍內(nèi),優(yōu)化前后補(bǔ)汽結(jié)構(gòu)在主流進(jìn)口、補(bǔ)汽進(jìn)口及混合出口這3個(gè)位置的密流沿周向的分布如圖9所示。

由圖9可見:優(yōu)化后密流周向分布均勻度在3處均得到了有效改善,前一級(jí)的出口壓力周向波動(dòng)較小,這對(duì)下一級(jí)的進(jìn)口條件較為有利;補(bǔ)汽不僅對(duì)混合后的出口密流沿周向分布有影響,對(duì)主流進(jìn)口處密流沿周向分布也有影響,這意味著補(bǔ)汽對(duì)上、下游各級(jí)的性能有較大影響,見圖9a～9f;優(yōu)化前補(bǔ)汽結(jié)構(gòu)對(duì)于當(dāng)前的補(bǔ)汽條件較為不利,補(bǔ)汽沿周向變化幅度較大,對(duì)主流沖擊較大,見圖9a、9c、9e;優(yōu)化后補(bǔ)汽結(jié)構(gòu)使得密流沿周向分布得到了有效改善,即截面為橢圓形、沿周向截面面積漸縮的蝸殼結(jié)構(gòu)能夠提高周向分布均勻度,見圖9b、9d、9f。在周向270°左右,即汽缸的正下方兩側(cè)密流出現(xiàn)了2個(gè)峰值,這正是2個(gè)補(bǔ)汽管道與補(bǔ)汽蝸殼的連接處,而在汽缸的正上方90°位置密流的值也比較大。優(yōu)化后的密流分布與優(yōu)化前相比得到了有效改善,但仍有進(jìn)一步改進(jìn)的空間。

優(yōu)化前后補(bǔ)汽結(jié)構(gòu)在主流進(jìn)口、補(bǔ)汽進(jìn)口和混合出口處及不同流量比下的標(biāo)準(zhǔn)偏差分布曲線如圖10所示。計(jì)算中沿周向共取720個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。由圖10可見,優(yōu)化后各處標(biāo)準(zhǔn)偏差大幅度降低,特別是在較大的補(bǔ)汽流量條件下。

(a)原結(jié)構(gòu)主流進(jìn)口

(b)優(yōu)化結(jié)構(gòu)主流進(jìn)口

(c)原結(jié)構(gòu)補(bǔ)汽進(jìn)口

(d)優(yōu)化結(jié)構(gòu)補(bǔ)汽進(jìn)口

(e)原結(jié)構(gòu)混合出口

(f)優(yōu)化結(jié)構(gòu)混合出口圖9 優(yōu)化前后密流沿周向分布

圖10 優(yōu)化前后不同流量比下的標(biāo)準(zhǔn)偏差

圖11 主流與補(bǔ)汽流線在補(bǔ)汽蝸殼內(nèi)的分布

優(yōu)化后流量比為35%時(shí)補(bǔ)汽蝸殼內(nèi)部的流線分布如圖11所示。由于強(qiáng)烈的周向運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致了流量沿周向分布不均勻,所以流動(dòng)損失沿周向分布也有較大變化,即流動(dòng)速度的大小和方向發(fā)生變化。補(bǔ)汽沿周向擴(kuò)散至蝸殼內(nèi)的同時(shí),還由周向運(yùn)動(dòng)變?yōu)閺较蛄鲃?dòng),并沿徑向進(jìn)入主流后折轉(zhuǎn)為軸向流動(dòng),周向各處的流動(dòng)折轉(zhuǎn)也有較大差異。由于流動(dòng)過程中增加了周向擴(kuò)散運(yùn)動(dòng),所以流動(dòng)損失相應(yīng)增加。周向擴(kuò)散過程受截面形狀影響,且與截面面積沿周向變化直接相關(guān)。這樣,密流沿周向的分布是不同的,在管道進(jìn)口附近達(dá)到最大值,在正上方為最小值。此外,密流沿周向的不均勻分布引起壓力沿周向波動(dòng),從而導(dǎo)致速比變化。鑒于輪周效率隨速比變化曲線為拋物線且存在最佳值,偏離最佳值時(shí)無論速比增大或減小均導(dǎo)致輪周效率下降。密流周向的不均勻分布將影響上、下游各級(jí)的性能。由此可見,提高密流的周向均勻度有助于提高上、下游各級(jí)的性能,能夠有效提高整機(jī)性能。

5 結(jié) 論

在T型通道的研究中,本文重點(diǎn)分析了支流以不同角度進(jìn)入主流時(shí)總壓損失系數(shù)的變化,分析了過渡段圓角對(duì)總壓損失系數(shù)的影響。研究表明,支流以60°夾角進(jìn)入主流時(shí)損失最小。參考T型通道中過渡段采用圓角時(shí)可大幅減小總壓損失的研究成果,在補(bǔ)汽蝸殼優(yōu)化時(shí)采用了過渡圓角設(shè)計(jì),截面為橢圓形且截面面積漸縮的設(shè)計(jì)方法也用于優(yōu)化設(shè)計(jì)中。優(yōu)化后的補(bǔ)汽結(jié)構(gòu)提高了密流沿周向分布的均勻程度。

由于補(bǔ)汽在周向擴(kuò)散流動(dòng)的同時(shí)沿徑向進(jìn)入主流,因此蝸殼的漸縮設(shè)計(jì)有利于減小補(bǔ)汽的流動(dòng)損失。優(yōu)化結(jié)構(gòu)使得補(bǔ)汽能夠更為均勻地進(jìn)入主流,混合后的蒸汽密流沿周向分布更為均勻,同時(shí)對(duì)主流進(jìn)口的擾動(dòng)大幅減小,這對(duì)于提高上、下游的級(jí)性能是十分有利的。優(yōu)化結(jié)構(gòu)能夠大幅降低混合總壓損失系數(shù),提高補(bǔ)汽效率。

引入標(biāo)準(zhǔn)偏差來評(píng)估補(bǔ)汽性能,在當(dāng)前研究中,優(yōu)化結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)偏差大幅降低,表明整機(jī)性能得到了提高。

補(bǔ)汽進(jìn)入主流的流速受到了補(bǔ)汽量的影響,也與補(bǔ)汽蝸殼的截面面積有關(guān),補(bǔ)汽蝸殼的截面面積應(yīng)基于補(bǔ)汽流量的設(shè)計(jì)范圍來優(yōu)化,這些方面仍有深入研究的空間。

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(編輯 苗凌)

Optimization Design and Pressure Losses of Steam Admission in Industrial Steam Turbines Depending on Geometrical Parameters

YAO Hong,ZHOU Xun,WANG Zhongqi

(School of Energy Science and Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China)

To improve performance of steam admission geometry in industrial steam turbine, the total pressure loss of the mixing flow are investigated with ANSYS-CFX and the effects of admission geometry parameters on the total pressure loss are evaluated by SST-RM. For a T typed passage, as the branch flow jets into the main stream at angle of 60° or the connecting part is set as rounded corner, the total pressure loss gets lower at different flow rate. Analyzing the total pressure loss coefficient of the T typed passage in the flow field, a new admission with elliptical and gradually converging sections along the circumferential direction is designed, and the optimized structure can effectively control the admission mass flow distribution and the flow direction, which makes the admission density flow more uniform along the circumferential direction to improve the performance of the whole steam turbine. Under the same condition, when the angle between the admission steam flow and main flow is taken as about 60°, the total pressure loss can be reduced by more than 30% compared with the case of 90°. The admission structure with elliptical cross section is beneficial to improve the uniformity of density flow distribution along the circumferential direction. The mixing total pressure coefficient and the standard deviation are suggested to effectively evaluate the admission performance.

steam admission geometry; flow combination; pressure loss; industrial steam turbine

2015-12-30。 作者簡介:姚宏(1977—),男,博士生;周遜(通信作者),男,教授,博士生導(dǎo)師。 基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51421063)。

時(shí)間:2016-05-10

10.7652/xjtuxb201607004

TK263

A

0253-987X(2016)07-0018-08

網(wǎng)絡(luò)出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20160510.1523.012.html