曹麗華 林阿強 李 勇

(東北電力大學能源與動力工程學院)

導流環(huán)傾角對汽輪機排汽缸氣動性能影響的研究*

曹麗華*林阿強 李 勇

(東北電力大學能源與動力工程學院)

以某300MW汽輪機為研究對象，應用Fluent軟件對不同來流條件下的排汽缸進行三維數(shù)值模擬，分析導流環(huán)傾角變化對排汽缸性氣動性能影響。結果表明：在擴壓管導流環(huán)軸向長度不變的情況下，隨著導流環(huán)傾角的不斷增大，總壓損失系數(shù)和靜壓恢復系數(shù)呈單調變化。導流環(huán)傾角在20～30°區(qū)間時，擴壓管的性能處于平緩趨勢。排汽缸來流有較大的旋流有利于提高排汽缸的氣動性能，而較小的旋流則會帶來一定的流動損失。

汽輪機 排汽缸 導流環(huán)傾角 氣動性能

汽輪機排汽部分的擴壓管不但對排汽起導流折轉作用，還能實現(xiàn)余速動能向壓力能轉化。近年來，針對擴壓管幾何形狀對汽輪機排汽缸性能影響的研究日益增多[1,2]。擴壓管氣動性能的優(yōu)劣直接影響汽輪機末級的背壓、凝汽器的進口參數(shù)和余速的利用率，進而對整個機組的功率和經(jīng)濟性產(chǎn)生顯著的影響[3～5]。因此，對擴壓管氣動性能的研究具有很重要的工程實際意義。

影響擴壓管性能的主要因素是汽流條件、導流環(huán)和導流錐的幾何形狀。文獻[6,7]指出，導流環(huán)傾角是決定汽流流動狀態(tài)的重要因素，并對原擴壓管進行改造。文獻[8～10]說明了排汽系統(tǒng)入口條件和幾何參數(shù)都會影響優(yōu)化設計后的擴壓管性能。文獻[11～13]研究表明，通過導流環(huán)優(yōu)化設計來改善擴壓管內的流動狀態(tài)，可有效提高排汽缸的氣動性能，降低流動損失。筆者利用Fluent詳細分析了不同導流環(huán)傾角對擴壓管和排汽缸氣動性能的影響，以及在不同來流條件下得到較合理的導流環(huán)傾角范圍，為汽輪機擴壓管的優(yōu)化設計和性能研究提供有價值的參考。

1 數(shù)值計算

某300MW汽輪機凝汽器喉部與排汽缸耦合的簡化模型如圖1所示，主要考慮排汽缸的導流環(huán)、導流錐、蝸殼斜壁面和喉部的小汽輪機排汽、內置低壓加熱器的影響。擴壓管示意圖如圖2所示。在擴壓管內導流環(huán)和導流錐壁面分別沿y向選取8條輔助環(huán)形曲線A1～A4和B1～B4。

圖1 計算用物理模型剖視圖

圖2 汽輪機排汽缸擴壓管示意圖

利用Fluent軟件平臺進行數(shù)值模擬，計算過程中的假設和控制方程參見文獻[12，13]。選擇ICEM軟件劃分結構化網(wǎng)格，通過網(wǎng)格無關性驗證可知，當網(wǎng)格數(shù)約為200萬時，能滿足計算精度的要求。采用速度進口和壓力出口作為邊界條件。

2 結果分析

2.1導流環(huán)傾角對擴壓管性能的影響

圖3、4分別顯示的是導流錐、導流環(huán)壁面壓力分布沿圖2中定義的輔助環(huán)線順時針一周得到的無量綱弧長靜壓變化分布曲線。

圖3 導流環(huán)傾角對導流錐壁面上靜壓分布的影響

圖4 導流環(huán)傾角對導流環(huán)壁面上靜壓分布的影響

從圖3、4可以看出：排汽缸導流錐壁面上壓力在弧長30%、50%處由于汽流轉彎時產(chǎn)生旋流使速度下降，壓力升高；壓力沿導流環(huán)壁面下降后上升，在大約60%、90%弧長處有一個低壓槽，主要由于靠近排汽缸下部出口處有汽流分離所致；在導流環(huán)內部，壓力沿軸向是逐漸上升的，說明導流環(huán)起到了擴壓的作用。

由圖3還可以看出，導流環(huán)傾角α不同時，導流錐上的壓力變化不明顯，趨勢相差不多，都在約30%、60%弧長處，由于汽流轉彎時產(chǎn)生旋流使得速度下降，從而壓力升高。這也說明，導流環(huán)傾角的變化對導流錐上的壓力變化影響不大。

由圖4還可以看出，α的取值不同時，由于靠近排汽缸下部汽流的分離作用，在導流環(huán)壁面上壓力最低值均出現(xiàn)在60%、90%弧長附近。不同的是：α=10°時壓力系數(shù)偏低，并在壓力出現(xiàn)峰值的30%、80%弧長的位置出現(xiàn)壓力突降，B1弧線上的壓力比其他兩種情況時的高，與擴壓器擴壓的機理相悖。α=30°時，除了B1弧線外其他3條線上的壓力變化幾乎相同，從而導致擴壓作用不明顯。

2.2導流環(huán)傾角對排汽通道流場的影響

圖5為汽流在排汽通道內流動的特征截面流線圖，可以看出，汽流在擴壓管通道內流動擴張和翻轉，一部分汽流向上游翻轉進入排汽缸上部拱頂，由于導流環(huán)上出現(xiàn)靜壓力梯度，在拱頂和導流環(huán)之間形成較大的回流漩渦區(qū)(即通道渦)，再向兩側向下分流。一部分汽流向下翻轉直接進入下游通道。導流環(huán)傾角為10°和30°時排汽通道內的通道渦面積增大，造成流動損失也增大。

圖5 汽流在排汽通道內流動的特征截面流線圖

由于這種具有耗散性的通道渦一直延伸到排汽通道出口，并與其他汽流混合，會在喉部出口截面流場出現(xiàn)低速區(qū)，如圖6所示，傾斜角為10°和30°時的喉部出口低速區(qū)域面積都較α=20°中的大；當α=20°時的出口速度平均值有所提高，低速區(qū)面積增加，高速區(qū)面積減少，喉部出口流場相對均勻，從而可使凝汽器的真空增大，凝汽器的工作性能提高。因此，α的變化導致其內部速度流場和能量損失變化，改變排汽缸的氣動性能，最終會影響喉部的出口速度流場均勻分布。

圖6 喉部出口速度分布

2.3不同來流條件下排汽缸的氣動特性

考慮到工程實際中排汽缸入口流場受到汽輪機低壓缸末級排汽的影響，具有一定的偏轉角。為研究不同來流條件下導流環(huán)傾角變化對排汽缸氣動性能影響，設置不同來流邊界條件見表1。

表1 不同來流條件的邊界條件 m/s

選取排汽缸的總壓損失系數(shù)Cp和靜壓恢復系數(shù)η作為排汽缸性能的評價指標，定義如下：

(1)

(2)

式中p01、p1——排汽缸入口截面的質量平均總壓、靜壓，Pa；

p02、p2——排汽缸出口截面的質量平均總壓、靜壓，Pa。

Cp越小，汽流在擴壓管中由動能轉化為壓力能而引起的壓損越?。沪侵翟酱?，擴壓管的導流擴壓作用對排汽缸回收動能的能力越強，擴壓管內汽流動能轉換壓力能損耗越小，排汽缸性能越好。圖7為不同來流條件下，導流環(huán)傾角變化對排汽缸性能影響的曲線。

圖7 不同來流條件下排汽缸性能的特性曲線

從圖7中可以看出，隨傾角的增大，總壓損失系數(shù)單調遞減，而靜壓恢復系數(shù)單調遞增，二者在傾角20～30°區(qū)間趨于平緩趨勢。強旋流的工況下總壓損失系數(shù)最小，靜壓恢復系數(shù)最大；旋流小工況時的總壓損失系數(shù)高于直流工況，同時靜壓恢復系數(shù)也高于直流；而導流環(huán)傾角為20°和30°時，其總壓損失系數(shù)比傾角為10°時小，并且靜壓恢復系數(shù)相對較大，說明傾角20～30°區(qū)間的擴壓管性能對排汽缸性能起到改善作用。不同來流工況下靜壓恢復系數(shù)都為負值，表明它不僅沒有回收壓力能還損失了部分靜壓。而軸向速度小、旋流強的工況下總壓損失相對較小，靜壓恢復能力較強，而旋流小工況則導致?lián)p失系數(shù)較大。所以，強旋流工況下排汽缸的氣動性能要比直流工況及旋流小工況好。因此，排汽缸來流有較大的旋流有利于提高排汽缸的氣動性能，而較小的旋流角則會帶來一定的流動損失，這對于擴壓管的優(yōu)化設計及性能研究有一定的指導意義。

3 結論

3.1在擴壓管內，導流環(huán)傾角的變化對導流錐壁面的壓力變化影響不大，其壁面無量綱弧長大約30%、50%處，壓力驟增；而在導流環(huán)壁面無量綱弧長60%、90%處，壓力出現(xiàn)低值區(qū)，在30%、80%處壓力呈現(xiàn)峰值區(qū)，其壓力沿軸向是逐漸上升的，導流環(huán)起到了擴壓的作用。

3.2在擴壓管導流環(huán)軸向長度不變的情況下，隨著導流環(huán)傾角的不斷增大，總壓損失系數(shù)和靜壓恢復系數(shù)呈單調變化，二者在傾角20～30°區(qū)間變化平緩，且通道渦面積較小，說明導流環(huán)傾角存在最佳值。綜合考慮，在擴壓管的設計中，應取20°≤α<30°。

3.3排汽缸來流有較大的旋流有利于提高排汽缸的氣動性能，而較小的旋流則會帶來一定的損失，這對于擴壓管的優(yōu)化設計及性能研究有一定的指導意義。

[1] 李軍，李志剛，晏鑫，等．汽輪機排汽缸性能分析和氣動設計的研究進展[J]．熱力透平，2013，42(1)：1～7．

[2] Zoe B，Grant L I，Simon H．A Literature Review of Low Pressure Steam Turbine Exhaust Hood and Diffuser Studies[J]．Journal of Engineering for Gas Turbines and Power，2013，135(6)：062001．

[3] 李勇，李仁杰，曹麗華，等．凝汽式汽輪機低壓缸相對內效率在線監(jiān)測方法[J]．化工機械，2014，41(3)：316～322．

[4] 黃偉東，孫弼，豐鎮(zhèn)平．汽輪機排汽缸擴壓管幾何形狀對氣動性能影響的分析[J]．動力工程，1998，18(3)：17～21．

[5] 李勇，曹麗華，欒中興，等．CC12型汽輪機低真空供熱的安全經(jīng)濟性分析[J]．化工機械，2003，30(5)：268～271．

[6] 劉文奇，梁秀珍．排汽缸的結構設計[J]．汽輪機技術，1996，38(4)：229～235．

[7] 周玉，薛進，楊新健．擴壓管出口條件對低壓排汽缸性能的影響[J]．汽輪機技術，2013，55(6)：405～407．

[8] 陳川，付經(jīng)倫，劉建軍．汽輪機排汽系統(tǒng)優(yōu)化設計與性能分析[J]．工程熱物理學報，2009，30(8)：1295～1298．

[9] 程云生，全曉軍，章任蕾．汽輪機低壓排汽缸氣動性能的數(shù)值研究[J]．汽輪機技術，2010，52(5)：131～135．

[10] Zoe B，Simon H，Grant L I．The Influence of Inlet Asymmetry on Steam Turbine Exhaust Hood Flows[J]．Journal of Engineering for Gas Turbines and Power，2013，136(4)：042602．

[11] 王紅濤，汽輪機低壓排汽缸系統(tǒng)內部流動及其氣動優(yōu)化設計研究[D]．上海：上海交通大學，2011．

[12] Yoon S，Stanislaus F J，Mokulys T，et al．A Three-dimensional Diffuser Design for the Retrofit of a Low Pressure Turbine Using in-house Exhaust Design System[C]．ASME Turbo Expo，Vancouve：Turbine Technical Conference and Exposition.Vancouver:International Gas Turbine Institute,2011：2309～2319．

[13] Musch C，Stuer H，Hermle G．Optimization Strategy for a Coupled Design of the Last Stage and the Successive Diffuser in a Low Pressure Steam Turbine[J]．ASME Journal of Turbomachinery，2013，135(1)：2407～2415．

StudyofTiltAngleImpactofFlowDeflectorRingonAerodynamicPerformanceofExhaustHoodinSteamTurbine

CAO Li-hua, LIN A-qiang, LI Yong
(CollegeofEnergyandPowerEngineering,NortheastDianliUniversity,Jilin132012,China)

Taking a 300MW steam turbine as the object of study, the Fluent software was applied to dimensionally simulate the flow field of the exhaust hood under different inlet conditions and analyze the tilt angle changes’ impact on the exhaust hood’s aerodynamic performance. The results show that both total pressure loss coefficient and static pressure recovery coefficient of the exhaust hood changes monotonously with the increase of flow guide’s tilt angle when the axial length of the diffuser remains unchanged; when the flow deflector ring’s tilt angle stays at 20°～30°, the diffuser performance has a flat trend. The greater swirl flow in the exhaust hood can help improve the aerodynamic performance of the exhaust hood while smaller swirl flow brings on some flow loss.

steam turbine, exhaust hood, tilt angle of flow deflector ring, aerodynamic performance

* 吉林省科技發(fā)展計劃基金資助項目(20140204040SF)。

** 曹麗華，女，1973年10月生，教授。吉林省吉林市，132012。

TQ051

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0254-6094(2016)02-0199-05

2015-06-01)