汽轮机排汽缸扩压管几何形状对气动性能影响的分析.docx

汽轮机排汽缸扩压管几何形状对气动性能影响的分析黄伟东孙弼丰镇平(西安西安交通大学)摘要该文采用数值方法计算和分析了电站汽轮机排汽缸扩压管内蒸汽的流动特性以及不同扩压管几何形状对扩压管气动性能的影响规律。根据计算结果探讨了扩压管的气动性能并为汽轮机扩 压管的优化设计提出了一些建议。图 9 参 4主题词:汽轮机扩压管气动性能数值计算研究以及对气动性能的影响, 并对扩压管的优化设计提出了一些建议。前言扩压管作为连接汽轮机末级和凝汽器的 排汽缸的一部分 ( 图 1) , 其气动性能的优劣 将直接影响末级背压的高低、凝汽器的进口 参数以及余速的利用率, 进而对整个机组的 功率和经济性产生显著的影响。因此, 研究扩 压管的气动性能具有十分重要的工程实际意 义。近年来, 国外对扩压管的气动性能进行 了很多研究。D e ich 和 Za ryan k in 提供了大量 的试验结果1 。 美国西屋公司对扩压管的内 部流动和性能进行了数值分析研究2 ～ 3 。 在 我国, 也曾开展过排汽缸气动性能方面的研 究工作, 但限于条件, 还不十分深入。 而用数 值计算方法分析扩压管的气动性能在国内未 见有公开报导。为此, 本文应用通用商业软件 PHO EN 2IC S 对扩压管内部流场进行了数值模拟。 在 此基础上, 计算了扩压管的气动性能指标, 分析了不同扩压管几何形状条件下的气动规律0图 1 排汽缸扩压管的结构简图计算方法由于进入扩压管内的流体工质为汽轮机 末级的出口蒸汽, 带有一定的湿度。如果直接 用湿蒸汽两相介质来模拟, 就会增加问题的 复杂性并大大增加计算量。为了简化计算, 又 不失一般规律性, 我们在计算中采用了匀相 模型并考虑了实际流动的可压缩性和粘性。 在扩压管流场和温度场的计算中, 我们采 用 了 联 合 求 解 连 续 方 程, 三 维 N av ie r211996 02 26 收到来稿·18·动 力工程第 18 卷S to k e s 方程和能量 方程的方法, 并应用了 k 2Ε紊流模型。在求得流场和温度场的基础上,再对扩压管的气动性能进行计算分析。通常, 扩压管的气动性能用压力恢复系 数 C p 和扩压管效率 Γ 来衡量4 。其中压力恢 复系数 C p 指的是扩压管进出口静压的增量 与扩压管进口功能的比值, 扩压管效率 Γ 指 的是扩压管进出口静压的增量与扩压管出口 功能差的比值, 即图 2 扩压管几何三维视图? pC p =1 Θ1 C 212 ? p Γ =1 (Θ2 C 2 -2 Θ1 C 2 )12式中? p ——扩压管进出口静压的增量Θ1 ——扩压管进口汽流密度C 1 ——扩压管进口汽流绝对速度Θ2 ——扩压管出口汽流密度C 2 ——扩压管出口汽流绝对速度图 3 扩压管中分面剖面图1—内导流环 2—外导流坏在扩压管几何条件允许情况下, 我们希望压力恢复系数和效率都越大越好。 因为在 同样的凝汽器压力条件下, C p 值大, 则汽轮机的等熵焓降大, 作功能力提高; Γ 值大, 则 扩压管内流动效率高。计算结果及分析本文所计算的扩压管的几何参数取自某 汽轮机厂的试验模型。 图 2 为扩压管流道几 何的三维视图。 图 3 表示扩压管的中分面对 称剖面图, 可以看到扩压管流道形状上下不 对称。数值计算所用的计算网格如图 4 所示。 网格的划分采用了适体坐标 (B FC ) 技术。 扩 压管的进口参数由其前汽轮机低压缸的通流 计算得到。沿径向从内径到外径, 参数的变化 范围如下: 进口滞上压力 10052～ 12267P a ,2图 4 周向 Η= 180°截面上的计算网格10°, 22°, 30°而导流环轴向长度不变, 且最大 轴向长度为 71. 8mm 。 扩压管在出口截面不 变的情况下, 中分面上即周向 Η= 0°和 180°2 个典型截面上的速度矢量投影图和等压线分 布图。由图可知, 汽流在通过扩压管时总的趋 势是速度逐渐减小, 压力逐渐升高。这与理论 上分析的扩压管的作用是一致的。 但靠近外 导流环的区域内, 汽流有局部膨胀加速的现 象, 从而使得流场参数变化较大。比较上述不 同倾角下的计算结果可以发现, 在外导流环 倾角Α为1 0 °的情况下, 流动发生恶化。在Η滞止温度 323. 1～ 330.9K , 轴向分速 147.1～ 196. 1m /s, 周向分速 16. 0～ 86. 2m /s, 径向分速 15. 1～ 67. 9m /s。图5 和图6 分别表示外导流环倾角Α为第 3 期动力工程·19·图 5 不同外导流环倾角 Α下 Η= 0°和 180°截面的速度矢量投影图= 0°截面靠近出口和内导流环区域内出现了回流, 导致实际通流面积减小而损失增大, 扩 压效果下降