黃 俊 ，丁斌開，楊新健

(1.安徽馬鞍山當涂發(fā)電有限公司，安徽 馬鞍山 243102;2.國電蓬萊發(fā)電有限公司，山東 蓬萊 265601;3.華北電力大學 電站設(shè)備狀態(tài)檢測與控制教育部重點實驗室，河北 保定 071003)

0 引言

汽輪機低壓排汽缸作為連接汽輪機末級和凝汽器的通道，是汽輪機組的關(guān)鍵部件，將通流部分末級流出的汽流很好地組織引導進凝汽器，并將末級出口的余速動能盡可能地轉(zhuǎn)化為壓力能。在凝汽器壓力給定的情況下，降低汽輪機末級出口處的靜壓，能夠提高汽輪機組的效率。排汽缸流場直接影響到凝汽器喉部的流場，進而影響凝汽器的換熱［1］。對大功率汽輪發(fā)電機組，排汽缸能量相當于總可用能量的2%以上，大約占機組總損失的15%［2］。

排汽缸一般由擴壓管和蝸殼組成。汽流在擴壓管內(nèi)實現(xiàn)擴壓和轉(zhuǎn)彎，再在蝸殼內(nèi)進行一系列復雜的流動。在擴壓管的內(nèi)外壁面附近，汽流容易形成漩渦(Vortex)，對下游造成干擾并增大能量耗散。文獻［3～6］研究了排汽缸尺寸對其氣動性能的影響，文獻［7～13］研究了擴壓管流場對排汽缸性能的影響。本文著重對國產(chǎn)某600 MW機組排汽缸的上半部內(nèi)產(chǎn)生的漩渦進行研究，通過裝設(shè)一列擋板，能將此處漩渦強度減弱，改善排汽缸內(nèi)流場。

1 模型計算區(qū)域

圖1 為排汽缸內(nèi)流場計算區(qū)域 (1/2 模型)示意圖，圖2 為排汽缸計算區(qū)域網(wǎng)格示意圖，經(jīng)過網(wǎng)格無關(guān)性驗證，網(wǎng)格數(shù)約為200萬個，保證了計算的精準度。

圖1 排汽缸(1/2 模型)流場計算區(qū)域示意圖Fig.1 Diagrammatic drawing of flow field computational domain in exhaust hood (half)

在Fluent 軟件平臺上，基于壓力求解由連續(xù)性方程和動量方程組成的方程組。選取速度進口和壓力出口作為邊界條件;壁面為無滑移壁面邊界;選擇SIMPLE 作為壓力－速度耦合方式［14］。

連續(xù)性方程:

圖2 排汽缸計算網(wǎng)格示意圖Fig.2 Diagrammatic drawing of computational grid in exhaust hood

動量方程:

2 數(shù)值模擬與分析

排汽缸內(nèi)，用ΔPc來描述排汽壓力損失:

式中:Pin為排汽缸進口壓力，Pa;Pout為排汽缸出口壓力，Pa;

2.1 未加裝擋板的排汽缸數(shù)值模擬與分析

對未加裝任何裝置的排汽缸進行數(shù)值模擬，結(jié)果如圖3 所示。從圖3(a)可以清楚地看出，在擴壓管下游的汽缸拱頂處產(chǎn)生了漩渦，中分面以上的空間內(nèi)，漩渦螺旋前進流動，螺旋程度由強逐漸減弱;中分面以下的空間內(nèi)，汽流已接近直流。

圖3 未加裝擋板的排汽缸內(nèi)流場分布Fig.3 Flow field in exhaust hood without deflectors

排汽缸內(nèi)漩渦擾亂了蝸殼內(nèi)的流場，增大了能量損失，使得蝸殼內(nèi)的總壓損失占排汽缸總損失的份額比擴壓管的總壓損失占排汽缸總損失的份額大很多(如圖4)。如果在中分面以上的蝸殼內(nèi)裝設(shè)擋板，能減弱漩渦的強度，改善排汽缸內(nèi)的流場。

圖4 未加裝擋板的排汽缸各部分壓力損失比Fig.4 Pressure loss ratio in different parts of exhaust hood without deflectors

2.2 加裝擋板的排汽缸數(shù)值模擬與分析

圖3 (b)所示的排汽缸子午面速度矢量圖中，位置1 與位置2 之間的范圍為漩渦的中心低速區(qū)域，在此范圍內(nèi)加裝擋板能達到較好的消渦效果。

首先在位置1 加裝一片擋板，其下邊緣與汽缸壁相連(如圖5)，對排汽缸進行數(shù)值模擬，結(jié)果如圖6，可以看出，汽流受到位置1 擋板的阻擋后，不能繼續(xù)向前流動，只能順著擋板延伸的方向有規(guī)律的流向排汽缸出口，如同一股直流。計算結(jié)果顯示，與沒有擋板的排汽缸相比，排汽壓損減小了12 Pa。

圖5 擋板位置示意圖Fig.5 Site of deflectors in exhaust hood

圖6 位置1 裝置擋板的排汽缸內(nèi)流線Fig.6 Streamlines in exhaust hood with deflectors on site 1

在位置2 加裝一片擋板，并對排汽缸進行數(shù)值模擬，結(jié)果如圖7 所示。結(jié)果表明，位置2 擋板的下邊緣與壁面之間的距離為150 mm 的時候，排汽缸流動特性最優(yōu)，排汽缸總壓損失進一步減小10 Pa。

圖7 位置1 和位置2 裝置擋板的排汽缸內(nèi)流線Fig.7 Streamlines in exhaust hood with deflectors on site 1 and site 2

在位置1 和位置2 之間繼續(xù)均勻加裝若干個擋板(圖5)。擋板組正好穿過漩渦的中心區(qū)域，將漩渦分割成若干個部分，流體被限制在擋板與擋板之間和擋板與汽缸壁之間的有限空間內(nèi)，并順著擋板延伸的方向流動，如同若干股直流排向出口(圖8)。模擬結(jié)果表明，擋板組下邊緣與汽缸壁之間的距離為150 mm 的時候，效果最佳，可繼續(xù)使排汽阻力損失減小30 Pa。

圖8 裝置擋板組的排汽缸內(nèi)典型流束流線Fig.8 Streamlines in exhaust hood with deflectors series

與沒有加裝任何裝置的排汽缸相比，加裝了擋板組的排汽缸排汽壓損減小了52 Pa，蝸殼部分總壓損失占排汽缸總損失的份額由原來的0.763降低至0.692 (如圖9)。

圖9 加裝擋板的排汽缸各部分壓力損失比Fig.9 Pressure loss ratio in different parts of exhaust hood with deflectors

3 結(jié)論

(1)汽流從擴壓管排出后，翻轉(zhuǎn)變向，在上半缸形成一處強度較大的漩渦，該漩渦造成的排汽損失是排汽缸總損失的主要部分。中分面以上的空間內(nèi)，漩渦螺旋前進流動，螺旋程度由強逐漸減弱;中分面以下的空間內(nèi)，汽流已接近直流。

(2)通過對漩渦的研究發(fā)現(xiàn)，在上半缸內(nèi)裝置一列擋板，能在一定程度上削弱漩渦的強度，使汽流能順著擋板延伸的方向有規(guī)律的流動，如同多股直流排向出口，排汽缸流場得到了改善。與沒有裝置擋板的排汽缸相比，在上半缸裝置了一列擋板的排汽缸的排汽壓損降低了52 Pa，蝸殼部分的總壓損失比由原來的0.763 降低至0.692。

［1］周蘭欣，李富云，李衛(wèi)華.凝汽器殼側(cè)準三維數(shù)值研究［J］中國電機工程學報，2008，28 (23):25-30.Zhou Lanxin，Li Fuyun，Li Weihua.Quasi three dimensional numerical study of shell side of condenser ［J］.Proceedings of CSEE，2008，28 (23):25-30.

［2］蔡頤年.蒸汽輪機［M］.西安:西安交通大學出版社，1998.

［3］陳洪溪，薛沐睿.大型空冷汽輪機低壓排汽缸幾何尺寸對氣動性能的影響［J］.動力工程，2003，23 (6):2740-2743.Chen Hongxi，Xue Murui.Effection of geometry dimension on aerodynamic performance of low pressure exhaust hood for large capacity steam turbine with air-cooled condenser［J］.Power Engineering，2003，23 (6):2740-2743.

［4］Michal Hoznedl，Ladislav Tajc，Jaroslav Krejcik，et al.Exhaust hood for steam turbines-single-flow arrangement［J］.The 2nd International symposium on Jet Propulsuion and Power Engineering，2009，3 (3):321-329.

［5］Wang H T，Zhu X C，Du Z H.Aerodynamic optimization for low pressure turbine exhaust hood using Kriging surrogate model ［J］.International Communications in Heat and Mass Transfer，2010，37 (8):998-1003.

［6］Mao S K，Wei Y Z，May Y L.Aerodynamic Characteristics Optimization of an Axial Turbine Exhaust Hood by Tests Based on an Orthogonal Design Approach ［J］.ASME，Gas Turbine Conference and Exhibition，ASME，Anaheim，California，1987:1-6.

［7］徐旭，康順，蔣洪德.低壓蒸汽透平排汽缸內(nèi)能量損失的數(shù)值研究［J］.北京航空航天大學學報，2002，28(6):652-655.Xu Xu，Kang Shun，Jiang Hongde.Numerical simulation of 3d viscous flow in exhaust casing of a low-pressure steam turbine ［J］.Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics，2002，28 (6):652-655.

［8］付經(jīng)倫，陳川，劉建軍.進口漩流對透平排汽缸內(nèi)部流動的影響［J］.工程熱物理學報，2007，28 (S1):73-76.Fu Jinglun，Chen Chuan，Liu Jianjun.Influences of inlet swirl on non-axisymmetric flows in turbine exhaust hoods［J］.Journal of Engineering Thermophysics，2007，28(S1):73-76.

［9］樊濤，謝永慧，張荻，等.汽輪機低壓排汽缸與末兩級耦合流動的三維數(shù)值模擬［J］.中國電機工程學報，2007，27 (26):90-95.Fan Tao，Xie Yonghui，Zhang Di，et al.Combined 3d numerical analysis of the low pressure exhaust hood coupling with the last two cascades in steam turbine ［J］.Proceedings of the CSEE，2007，27 (26):90-95.

［10］劉建軍，蔣洪德.汽輪機低壓排汽系統(tǒng)氣動性能分析［J］.工程熱物理學報，2002，23 (4):425-428.Liu Jianjun，Jiang Hongde.Aerodynamic analysis of steam turbine LP exhaust systems ［J］.Journal of Engineering Thermophysics，2002，23 (4):425-428.

［11］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):17-21，87.Huang Weidong，Sun Bi，F(xiàn)eng Zhenping.Aerodynamic analysis of diffuser structure in exhaust hood ［J］.Power Engineering，1998，18 (3):17-21，87.

［12］孫奇，孔祥林，江生科.大型汽輪機擴壓管流場的數(shù)值計算［J］.東方汽輪機，2000，(2):1-11.Sun Qi，Kong Xianglin，Jiang Shengke.Numerical computation of diffuser in large steam turbine ［J］.Dongfang Steam Turbine，2000，(2):1-11.

［13］李殿璽，樊軼，金潔敏，等.汽輪機排汽缸的氣動研究 進 展［J］.熱 能 動 力 工 程，2006，21 (5):445-449.Li Dianxi，F(xiàn)an Yi，Jin Jiemin，et al.Progress of aerodynamics analysis in steam turbine exhaust hood ［J］.Journal of Engineering for Thermal Energy and Power ［J］.2006，21 (5):445-449.

［14］王福軍.計算流體動力學分析［M］.北京:清華大學出版社，2004.