平艷， 張曉東， 鐘主海

（東方電氣集團東方汽輪機有限公司， 四川德陽， 618000）

1 前言

現(xiàn)代社會對能源的需求不斷增大， 由此產生的能源危機也愈發(fā)嚴重， 對能源的綜合利用也開始得到更大程度的重視。 作為現(xiàn)代化國家重要動力設備的汽輪機， 提高其經濟性對節(jié)約能源明顯具有重大的意義， 而在汽輪機中增加抽汽系統(tǒng)無疑是最具代表性的一種能源綜合利用方式， 如圖1所示。

圖1 抽汽回熱式汽輪機

抽汽無論是用于回熱還是供熱都能有效地提高汽輪機效率以及能源利用率， 并且有效減少對環(huán)境的污染。 為提高汽輪機系統(tǒng)的經濟性并滿足生活和工業(yè)用熱的要求， 現(xiàn)代大型蒸汽輪機普遍采用抽汽回熱和再熱循環(huán)系統(tǒng)。 因此， 汽輪機組的抽汽系統(tǒng)對機組和電廠的熱經濟性起著重要作用。 但是較大的抽汽量必然會引起汽輪機抽汽縫隙附近的通流部分、 抽汽縫隙和抽汽腔室內部以及連接管之間的流動參數(shù)在徑向和周向分布不均勻。 這種不均勻分布會改變抽汽縫隙附近汽輪機級的流動狀態(tài)， 并最終改變汽輪機抽汽縫隙附近級效率， 會造成汽輪機的安全隱患。 從提高機組的經濟性和安全性等方面考慮， 對汽輪機抽汽系統(tǒng)的抽汽縫隙、 抽汽腔室和連接管內的流場進行研究是非常有必要的。 氣流從主流流道通過抽汽縫隙進入抽汽腔室， 最后由連接管流出。 由于抽汽縫隙軸向寬度一般較小， 氣流經過它的流動速度較大， 因此氣流具有很大的動能， 在抽汽腔室經過一定膨脹進入直徑較小的連接管， 在抽汽腔室與連接管的連接區(qū)域， 氣流經過摩擦、 渦流和轉向等阻力作用又會產生一部分壓力損失。 要提高機組的經濟性，要求高壓抽口具有良好的氣動性能， 盡可能降低整個過程中的總壓能量損失。

本文以某機組的高壓抽口為研究對象， 采用商業(yè)CFD 軟件CFX 分析技術， 計算分析了影響高壓抽口的各個因素， 得到提高其氣動性能的有效措施， 為高中壓抽口結構優(yōu)化提供了有益參考。

2 計算模型、 網格劃分方式及數(shù)值方法

2.1 計算模型

采用三維建模軟件對高壓抽口建立CFD 模型， 與實物比例為1:1， 抽汽縫隙、 腔室及連接管結構與實物保持一致。 在進行抽口數(shù)值計算時，以抽口所在級的動葉出口延長段為計算域進口，以連接管出口的延長段為計算域出口， 計算域示意圖如圖2 所示。

圖2 抽口計算域示意圖

2.2 網格劃分

采用商業(yè)軟件Ansys Meshing 對高壓抽口進行網格劃分。 由于抽口結構的不規(guī)則性， 分析網格采用非結構化網格， 并在網格數(shù)量和質量上進行網格無關性的驗證， 整體計算域的網格數(shù)目在4.5×106左右， 滿足分析軟件的網格要求。

2.3 數(shù)值方法

計算普遍采用雷諾時均方程Navier-Stokes 方程組， 并且應用恰當?shù)耐牧饔嬎隳Ｐ蛯Ψ匠探M進行封閉。 采用ANSYS CFX13.0 對高壓抽口網格進行RANS 方程的數(shù)值求解， 湍流模型為SST 剪切輸運模型， SST 模型考慮了湍流剪切應力， 不會對渦流黏度造成過度預測， 特別適用于要求高精度邊界層的模擬。 離散格式為高精度格式， 壁面處理方式選擇絕熱無滑移光滑壁面。 計算工質使用CFX 內嵌的的高精度水蒸氣數(shù)據庫——IAPWS97，高壓抽汽工作于過熱蒸汽區(qū)， 在計算過程中， 計算域進口給定總壓、 總焓， 并按照進口面均勻處理， 出口邊界條件根據機組整體方案取流量邊界。分析在高性能計算服務器上完成。 本次研究重點關注流量、 殘差及總壓損失系數(shù)的收斂曲線。

3 計算結果與分析

3.1 抽汽腔室與連接管過渡

從計算域進口到出口的總壓損失系數(shù)ψ 為1.9%， 從計算結果來看該高壓抽口的氣動性能有相對偏差。 圖3 給出了高壓抽口在周向面的總壓和流速分布圖， 從圖中可以看出， 在抽汽腔室與連接管銜接的區(qū)域存在速度突變現(xiàn)象， 形成局部漩渦造成明顯的壓力損失。

圖3 高壓抽口特征截面上總壓等值線和流線分布圖

統(tǒng)計從抽汽腔室出口至連接管出口存在較大的總壓壓損， 約占總壓損失的37%， 因此需在該區(qū)域增加一個過渡腔室， 優(yōu)化流動過程進而降低壓損。 計算模型如圖4 所示。 （本文以下的研究中所有的總壓損失均由占原始模型總壓損失的百分比表示。）

圖4 高壓抽口抽汽腔室和連接管間增加過渡腔室示意圖

圖5 為增加過渡腔室后特征截面處的總壓等值線和流線分布圖。

圖5 高壓抽口特征截面總壓等值線和流線分布圖

從圖5 的總壓和流速分布圖來看， 流動明顯更為穩(wěn)定， 過渡腔室與抽汽管的銜接部分速度突變現(xiàn)象也得到有效改善。 統(tǒng)計高壓抽汽優(yōu)化模型CFD 計算結果， 抽汽總壓損失約是施工模型的51%。 因此， 在抽汽腔室與連接管之間增加一個過渡腔室是改善高壓抽口氣動性能的有效途徑。

3.2 抽汽腔室的影響

圖6 給出了原始模型子午面上的總壓及流線分布圖。

圖6 高壓抽口特征截面總壓等值線和流線分布圖

從圖6 可以看出， 在抽汽腔室內有明顯漩渦，從而在抽汽腔室內部流場形成明顯的壓力梯度，造成相應的總壓能量損失。 統(tǒng)計原始模型抽汽腔室段的總壓損失， 約占全部總壓損失的34%， 因此抽汽腔室內的流動對高壓抽口的性能具有較大的影響。 將抽汽縫隙放在抽汽腔室的對稱位置，保證相同的腔室流速， 將原始模型不規(guī)則的抽汽腔室形狀改變?yōu)橐?guī)則的扁橢圓、 方形、 圓形和立橢圓4 種結構， 其二維示意圖如圖7 所示。

圖7 高壓抽口不同抽汽腔室二維示意圖

圖8 為不同抽汽腔室內的總壓等值線分布圖。

圖8 高壓抽口不同抽汽腔室總壓等值線分布圖

從腔室內部壓力等值線分布來看， 在相同流速條件下， 扁橢圓和方形腔室內壓力分布比較均勻， 圓形和立橢圓形抽汽腔室內部流場存在較大的壓力梯度。

圖9 為連接管內總壓等值線分布圖。

圖9 不同抽汽腔室高壓抽口內的連接管內總壓等值線分布圖

從連接管內的總壓等值線分布圖來看， 扁橢圓和方形腔室形狀的高壓抽口連接管內的總壓等值線分布比較均勻， 而圓形腔室的高壓抽口連接管內的流場開始出現(xiàn)明顯的壓力梯度， 立橢圓形狀的抽汽腔室壓力梯度最大， 氣動性能也最差。

圖10 為不同抽汽腔室形狀的高壓抽口特征截面處的總壓等值線分布圖。

圖10 不同抽汽腔室的高壓抽口特征截面處總壓等值線分布圖

從圖10 可以看出， 從抽汽腔室流入抽出的汽體在進入連接管的過程中， 方形和扁橢圓形抽汽腔室的高壓抽口總壓能量損失較小， 相對來說，方形腔室形狀的高壓抽口氣動性能明顯占優(yōu)， 而圓形和立橢圓形抽汽腔室的高壓抽口在流動過程中出現(xiàn)較為明顯的壓力梯度， 進而造成相對較大的總壓能量損失。

圖11 為不同抽汽腔室的高壓抽口特正截面處的流線分布圖。

圖11 不同抽汽腔室的高壓抽口特征截面處流線分布圖

從圖11 的流線分布圖來看， 在抽汽腔室從方形到扁橢圓、 圓形和立橢圓的形狀變化過程中，連接管的流速逐漸變大， 這也使高壓抽口的能量損失逐漸變大。

而對總壓能量損失的統(tǒng)計表明， 抽汽腔室為扁橢圓時， 總壓損失約占原始模型的47.7%； 抽汽腔室為方形時， 總壓損失約占原始模型的45.7%； 抽汽腔室為圓形時， 總壓損失約占原始模型的50%； 抽汽腔室為立橢圓時， 總壓損失約占原始模型的55%。 綜合以上， 將抽汽腔室由不規(guī)則修改為規(guī)則形狀能夠明顯體改高壓抽口的氣動性能， 尤其方形腔室和扁橢圓腔室形狀在降低抽口總壓損失方面效果相對更好。

3.3 抽汽縫隙流速、 形狀及位置影響

統(tǒng)計原始模型抽口縫隙進口到出口的總壓損失， 約占全部總壓損失的25%， 因此抽汽縫隙對高壓抽口的氣動性能具有較大的影響。 本文對抽汽縫隙的研究以方形抽汽腔室形狀為研究對象。

圖12 為不同抽汽縫隙軸向寬度的二維示意圖。

圖12 不同抽汽縫隙進入抽汽腔室的流速

軸向寬度改變引起進入抽汽腔室的流速不同，對氣動性能的影響也不同。 總壓損系數(shù)隨抽汽縫隙進入抽汽腔室流速的變化趨勢如圖13 所示。

圖13 總壓損失隨抽汽縫隙進入抽汽腔室流速變化趨勢圖

從圖13 中可以看出， 總壓損隨著抽口段流速的增大逐漸增加， 當抽口段流速大于50 m/s 時，壓力損失增加較快， 氣動性能明顯變差。

圖14 為抽汽縫隙在抽汽腔室不同位置處的二維示意圖。

圖14 高壓抽口不同抽汽縫隙位置二維示意圖

圖15 為不同抽汽縫隙位置的高壓抽口特征截面處的總壓等值線分布圖。

圖15 不同抽汽縫隙位置的高壓抽口連接管總壓等值線分布圖

從圖15 可以看出， 抽汽縫隙處于抽汽腔室的對稱位置時， 連接管內的流場流動較為穩(wěn)定， 壓力分布均勻， 當抽汽縫隙偏離抽汽腔室的對稱位置時， 連接管內出現(xiàn)明顯的壓力梯度， 尤其是抽汽縫隙距離進汽側較近時， 這種氣動性能變差的趨勢更為明顯。

抽汽縫隙處于抽汽腔室不同位置處的計算結果如圖16 所示。

圖16 總壓損失隨抽汽縫隙位置變化趨勢圖

從圖16 可以看出， 抽口段設在抽汽腔室中心附近總壓損失最小， 氣動性能最好。

圖17 為抽汽縫隙不同形狀的二維示意圖。

圖17 不同抽汽縫隙形狀的二維示意圖

圖18 為不同抽汽縫隙形狀的高壓抽口連接管總壓等值線分布圖。

從圖18 可以看出： 抽汽縫隙偏向出汽側時，主流通道通過抽汽縫隙后壓力損失明顯變大； 抽汽縫隙位于對稱位置處， 壓力損失稍微降低； 抽汽縫隙偏向進汽側時， 主流流道進入抽汽縫隙然后流入抽汽腔室， 最終進入連接管的整個過程總壓能量損失明顯降低， 氣動性能最為理想。

不同抽汽縫隙形狀的計算結果如圖19 所示。

從圖19 可以看出， 抽口段由向出汽側偏轉到向進汽側偏轉的過程中壓損逐漸減小， 其中在向進汽側偏轉的過程中角度在0~30°變化時總壓收益最為明顯， 氣動性能相對較好。

4 結論

通過以上計算分析， 可以得到以下結論：

（1）抽汽腔室與連接管之間的連接區(qū)域對整個高壓抽口的氣動性能的影響很大， 降低兩者之間的速度突變程度， 能夠有效提高抽口整體的氣動性能；

（2）抽汽腔室形狀的選擇對抽汽部分的氣動性能影響也比較大， 因抽汽腔室的不規(guī)則性而造成的整個高壓抽口內的流場分布的不均勻性及連接管內的漩渦會影響整個高壓抽口的氣動性能變差；反之， 規(guī)則形狀的抽汽腔室能夠明顯改善抽口的氣動性能， 并且通過調整抽汽腔室的形狀以控制與連接管連接部分的流速， 能夠將高壓抽口的氣動性能得到很大程度上的優(yōu)化；

（3）抽汽縫隙的形狀、 位置以及進入抽汽腔室的流速均會對整個抽口的氣動性能產生很大影響，根據流場流動特性調整抽汽縫隙會使高壓抽口的氣動性能得到有效提升。