張旭陽，李一興，張鯤羽，李 勇

（1. 上海船舶設(shè)備研究所，上海 200031；2. 渤海造船廠集團有限公司，遼寧葫蘆島 125004）

0 引言

部分汽輪機由于使用空間狹窄等因素，在設(shè)計過程面臨著嚴格的尺寸與外形限制。這類汽輪機在受限的外形結(jié)構(gòu)下，盡可能地提升機組效率，以提高汽輪機使用過程中的經(jīng)濟性。隨著汽輪機效率要求的逐漸提升，傳統(tǒng)通過熱力設(shè)計提升效率的手段已逐漸無法滿足設(shè)計需求。因此，通過對汽輪機進汽腔的結(jié)構(gòu)改造來減少汽輪機壓力損失已經(jīng)成為了進一步提高效率的重要措施。

切向進汽結(jié)構(gòu)的采用能有效提升汽輪機進汽腔的流動效率。切向進汽結(jié)構(gòu)是在傳統(tǒng)進汽結(jié)構(gòu)上發(fā)展出來的一種進汽結(jié)構(gòu)。國內(nèi)外常規(guī)機組中反向切向進汽結(jié)構(gòu)已經(jīng)得到了一定的研究與應(yīng)用。鐘主海等[1]對汽輪機高壓缸蝸殼進行優(yōu)化研究，結(jié)果顯示：切向進汽管相比傳統(tǒng)高壓進汽室具有更優(yōu)異的氣動性能。喻剛等[2]對全周進汽汽輪機的切向進汽結(jié)構(gòu)進行研究分析，結(jié)果表明：切向進汽結(jié)構(gòu)能夠使得蝸殼內(nèi)流場更為均勻，進汽腔內(nèi)汽流激振得到有效改善。郭曉節(jié)等[3]則對中壓缸汽腔內(nèi)的流場進行數(shù)值研究，并對對稱雙流進汽腔結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化與流動分析。肖蕾等[4]則對低壓進汽缸內(nèi)壓損變大的問題進行進汽腔結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化。王建[5]等則對傳統(tǒng)的單口進汽與切向進汽結(jié)構(gòu)進行對比，并對進汽腔內(nèi)的具體流動狀態(tài)進行分析。

在特種汽輪機中，由于場地尺寸限制，無法采用汽輪機常用的反向切向進汽管結(jié)構(gòu)。因此，本文提出了一種同向切向進汽結(jié)構(gòu)，通過數(shù)值方法對各類型進汽結(jié)構(gòu)在不同工況下的流動狀態(tài)進行分析，并對各類型進汽結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣進行判斷。

1 模型與網(wǎng)格

傳統(tǒng)的汽輪機進汽方式主要為4管形式及2管形式。4管布置中，進汽腔上下分別有4根管道對稱布置。而2管布置則僅使用單側(cè)的2根管道進行進汽。2種進汽方式如圖1所示。由于汽輪機整機的進汽管道布置位置限制以及機組整體設(shè)計等原因，4管布置在特種汽輪機中使用較少，而多采用2管布置的形式。

根據(jù)傳統(tǒng)進汽腔設(shè)計的試驗結(jié)果與模擬結(jié)果，傳統(tǒng)2管進汽腔的總壓損失約為0.4%，內(nèi)部流場較為紊亂，出入口總壓損失較大，傳統(tǒng)進汽腔的結(jié)構(gòu)優(yōu)化仍有較大提升空間。

圖1 傳統(tǒng)進汽管路模型示意圖

圖2中為反向切向進汽結(jié)構(gòu)示意圖。采用2管進汽結(jié)構(gòu)，2根管內(nèi)的汽流分別從上下2個方向進入進汽腔。該結(jié)構(gòu)在國內(nèi)外電廠機輪機中已經(jīng)有了一定的運用，但由于場地限制等因素，無法直接用于特種汽輪機中。

圖2 反向切向進汽腔模型

圖3中給出了本文所設(shè)計的同向切向進汽腔的模型示意圖。進汽腔仍采用2管進汽腔，2根進汽管位置相對于傳統(tǒng)進汽管路向兩側(cè)移動。進汽管道的外側(cè)與進汽腔室之間為相切關(guān)系；進汽腔入口為圓形入口，出口為環(huán)形出口。

圖3 同向切向進汽腔模型

圖4中給出了進汽腔模型的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。如圖4所示，進汽腔模型由腔體及入口管組成。腔體網(wǎng)格為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，入口管網(wǎng)格為非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。腔體及入口管壁面附近網(wǎng)格均加密，第1層網(wǎng)格厚度為0.01 mm，在模擬工況下滿足y+＜1。計算中保證各方程殘差小于10-5；在500次迭代中，出口質(zhì)量流量變化率小于0.1%，計算結(jié)果收斂。

圖4 網(wǎng)格模型

邊界條件如表1所示。入口設(shè)為質(zhì)量流量入口，共設(shè)有大流量及小流量，分別代表全開工況以及單管開啟工況。出口邊界條件為靜壓出口，壓力為2 MPa，溫度為202 ℃。壁面設(shè)置為絕熱光滑壁面。

為了確保達到網(wǎng)格無關(guān)性要求，本文采用5.2×104～2.5×105的5套逐漸加密網(wǎng)格來計算原始模型在雙管運行工況下的出口質(zhì)量流量，計算結(jié)果如表2和圖5所示。

表1 邊界條件

表2 網(wǎng)格無關(guān)性研究

圖5 網(wǎng)格無關(guān)性研究

網(wǎng)格數(shù)量達到1.6×105后，各網(wǎng)格計算結(jié)果基本隨網(wǎng)格數(shù)量的變化而變化，滿足網(wǎng)格無關(guān)性要求。從考慮計算精度和計算資源的因素出發(fā)，本文采用網(wǎng)格數(shù)量為1.6×105。

2 傳統(tǒng)進汽腔與切向進汽

圖6為雙管開啟情況下的傳統(tǒng)進汽結(jié)構(gòu)與切向進汽結(jié)構(gòu)的靜壓分布圖及流線圖。圖6中，云圖內(nèi)圈采用環(huán)形箭頭標記了進汽腔內(nèi)流動沿進汽腔周向的運動方向。

由圖6能夠觀察到在雙管開啟的情況下，傳統(tǒng)進汽結(jié)果在進汽管出口位置進汽腔壁面上會出現(xiàn)2個高壓區(qū)（x/X＝0.2，0.8；y/Y＝0.8。下文中，圖6～圖9、圖12、圖13中的各位置將直接標注為（x/X，y/Y）格式）。該位置的流線出現(xiàn)了1個滯止點，該高壓前緣的兩側(cè)，流體向不同方向流動。

在進汽腔下端（0.5, 0）位置也產(chǎn)生了1個壓力高值區(qū)，在該位置進汽腔兩側(cè)的流體相遇，并且共同向徑向方向流動。

采用切向進汽方式后，壓力云圖的分布基本與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)一致，沒有明顯改善。

本文采用總壓損失系數(shù)對模型壓力損失進行表征，總壓力損失系數(shù)計算為

式中：P入口為入口的平均總壓數(shù)值；P出口則為出口的平均總壓。

在雙管開啟工況下，傳統(tǒng)模型與切向進汽模型的總壓損失系數(shù)相差較小，分別為0.27%、0.25%，相差8.21%。在雙管開啟工況下使用切向進汽模型，總壓損失系數(shù)并無明顯下降。

圖6 雙管開啟情況下的壓力云圖與流線圖

圖7展示了單管工況下的進汽腔內(nèi)壓力云圖與流線分布。

由圖7能夠觀察到，單管工況下的傳統(tǒng)進汽結(jié)構(gòu)與切向進汽結(jié)構(gòu)的壓力分布云圖及流線圖展現(xiàn)出了較大的不同。圖7(a)中，傳統(tǒng)進汽結(jié)構(gòu)的汽流從右側(cè)進汽管進入進汽腔后向兩側(cè)流動；其中，向左側(cè)流動的汽流路程較短，向右側(cè)流動的汽流流動路程較長，兩者于(0.4, 0.7)位置相遇并產(chǎn)生1個高壓區(qū)。圖7(b)中展示的切向進汽結(jié)構(gòu)顯示汽流進入進汽腔后基本沿順時針方向進行單向流動。

在單管工況下，采用傳統(tǒng)進汽機構(gòu)與切向進汽結(jié)構(gòu)在總壓損失上也有較大的差異，兩者總壓損失系數(shù)分別為0.41%與0.18%，相差127.7%。在單管工況下采用切向進汽結(jié)構(gòu)，總壓發(fā)生明顯的下降。

圖8與圖9為單管傳統(tǒng)進汽結(jié)構(gòu)與切向進汽結(jié)構(gòu)的湍流動能云圖與流線圖。

從圖8中能夠觀察到采用了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在(0.2,0.7)、(0.4, 0.8)及(0.8, 0.6)位置均出現(xiàn)了湍動能高值區(qū)。前2個高值區(qū)的出現(xiàn)是由入口汽流在該位置產(chǎn)生了較大的方向改變，導致該位置的流體壓力梯度產(chǎn)生較大的變化，從而引起流體湍流。(0.8,0.6)位置的湍動能高值區(qū)內(nèi)能夠看見流線在該位置的方向發(fā)生明顯的彎折，該位置的湍動能高區(qū)也是由于進汽管內(nèi)流體沖刷在進汽腔壁面上所產(chǎn)生的。

圖8 傳統(tǒng)進汽腔進汽位置的湍動能云圖及流線圖

圖9 切向進汽腔進汽位置的湍動能云圖及流線圖

而采用切向進汽結(jié)構(gòu)后，上述湍動能高區(qū)均得到了有效抑制，進汽管與進汽腔之間的流動狀態(tài)得到了有效改善。

上述位置流動的改善是總壓損失系數(shù)下降的最主要原因。

表3中給出了5個不同進汽腔模型的相關(guān)參數(shù)。

表3 變進汽腔距離的工況編號

5個進汽腔模型均使用了上文所述的雙管布置，區(qū)別在于進汽腔之間的距離不同。進汽管之間的距離示意如圖3所示。其中模型5為上文所述的切向進汽模型，模型1為上文所述的傳統(tǒng)模型，模型4至模型1進汽管之間的距離逐漸縮小。

圖10展示了在單管開啟的情況下，進汽腔距離對于總壓損失的影響。從圖10中能夠觀察到隨著進汽管之間的距離逐漸增大，模型出入孔的總壓損失逐漸減小。且總壓損失系數(shù)隨著距離的減小加速下降。在切向進汽位置總壓損失系數(shù)達到最低點。

圖10 進汽腔距離對于壓力損失系數(shù)的影響

綜上所述，切向進汽的采用能夠有效改善進汽腔內(nèi)的流動狀況，減小總壓損失系數(shù)。

3 同向進汽與反向進汽

常規(guī)機組中常采用的切向進汽結(jié)構(gòu)為反向切向進汽結(jié)構(gòu)，如圖11(b)所示。本文研究的切向進汽結(jié)構(gòu)為同向切向進汽結(jié)構(gòu)。本章節(jié)將對于上述兩種切向進汽結(jié)構(gòu)在兩管開啟工況和單管開啟工況下的流動情況進行對比分析。

圖11為雙管開啟下的同向切向進汽與反向切向進汽靜壓云圖與流線圖。從圖11中能夠觀察到反向切向進汽結(jié)構(gòu)的整體流場相交同向切向進汽明顯更為光順。同向切向進汽流體從進汽管進入進汽腔后沿順時針流動，進汽腔內(nèi)無明顯的湍流結(jié)構(gòu)產(chǎn)生。

在雙管開啟情況下采用反向切向進汽能夠明顯改善進汽腔內(nèi)總壓損失。2種結(jié)構(gòu)的總壓損失系數(shù)分別為0.25%及0.14%。采用切向進汽使得總壓損失系數(shù)下降81.5%。

圖12為單管開啟工況下的同向切向進汽腔室及反向切向進汽腔室之間的壓力云圖分布及流線圖。

由圖12可知，在單管開啟工況下，同向切向進汽與反向切向進汽之間的流場均呈現(xiàn)為順時針流動狀態(tài)，流場相似。經(jīng)測量，2種結(jié)構(gòu)的總壓損失系數(shù)分別為0.18%及0.17%，相差5.68%。在單管開啟情況下采用反向切向進汽能與同向切向進汽差異較小。

圖11 雙管開啟情況下的壓力云圖與流線圖

圖12 單管開啟情況下的壓力云圖與流線圖

在特種汽輪機使用中，汽輪機常常工作于單管工況，雙管工作工況產(chǎn)生較少，且采用反向切向進汽對于特種汽輪機而言整機設(shè)計難度較大。因此，本文分析的主體為同向切向進汽結(jié)構(gòu)。

在單管開啟情況下，同向切向進汽結(jié)構(gòu)與反向切向進汽結(jié)構(gòu)流動結(jié)構(gòu)相近，總壓損失差異不大。在雙管開啟情況下，反向切向進汽結(jié)構(gòu)流動狀態(tài)更優(yōu)。

4 進汽腔數(shù)量對于流場的影響

圖13為3進汽管與4進汽管的進汽腔總壓損失系數(shù)分布及流線圖。從圖13中能夠觀察到，3進汽管與4進汽管的總壓損失系數(shù)以及流線的分布情況。圖13中3進汽管及4進汽管的總流量與上文工況保持一致，因此各進汽管入口速度略有下降。

由圖13能夠觀察到：3進汽管與4進汽管的進汽腔內(nèi)部流場光順，壓力分布與進口管位置相互對應(yīng)，流場內(nèi)均沒有湍流現(xiàn)象產(chǎn)生。

表4為進汽腔數(shù)量變化的各個模型的編號。各個模型的總壓損失系數(shù)如圖14所示。從圖14中能夠觀察到，進汽腔數(shù)量的增加使得總壓損失系數(shù)整體呈下降趨勢，但進汽腔數(shù)量增加帶來的總壓損失下降數(shù)值隨著進汽腔數(shù)量的增加逐漸減小。

因此，增加進汽管數(shù)量對于進汽腔內(nèi)部總壓損失系數(shù)的下降較為有利，但也將會給機組進汽口的整體設(shè)計帶來更大的挑戰(zhàn)。

圖13 進汽口是力量變化后的總壓云圖及流線圖

圖13 進汽口是力量變化后的總壓云圖及流線圖（續(xù)）

表4 進汽腔數(shù)量變化時候的工況編號

圖14 進汽腔數(shù)量對于壓損的影響

5 結(jié)論

通過對傳統(tǒng)進汽結(jié)構(gòu)、切向進汽結(jié)構(gòu)等多種進汽腔室的數(shù)值模擬，對比分析各種進汽腔的內(nèi)部流動結(jié)構(gòu)與總壓損失系數(shù)數(shù)值，可以得出以下結(jié)論：

1）相比于傳統(tǒng)進汽結(jié)構(gòu)，采用切向進汽結(jié)構(gòu)在單管運行時能夠有效改善進汽腔內(nèi)的流動狀態(tài)，使得進汽腔內(nèi)的總壓損失系數(shù)產(chǎn)生較大的下降。

2）相比于同向切向進汽結(jié)構(gòu)，采用反向進汽結(jié)構(gòu)在雙管運行時進汽腔內(nèi)的流動狀態(tài)更佳；而在單管運行時，2種進汽腔內(nèi)的流動狀態(tài)較為接近。

3）增加進汽管數(shù)量有利于改善進汽管內(nèi)的流動狀態(tài)，但改善效果隨進汽腔數(shù)量的增加而減少。