王波++王威+李飛++程江南++宋乃秋++楊陽

摘 要：以某大功率汽輪機(jī)排汽缸為研究對(duì)象，以排汽缸的能量損失和出口截面的氣流參數(shù)作為考察目標(biāo)，通過?；囼?yàn)進(jìn)行排汽缸氣動(dòng)性能研究。試驗(yàn)測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，排汽缸出口截面存在3個(gè)較高的能量損失區(qū)，包括由分流造成的兩個(gè)漩渦而導(dǎo)致的兩個(gè)高損失區(qū)，以及由于旋向相反的兩個(gè)漩渦作用而產(chǎn)生的中間高損失區(qū)；出口截面的速度不垂直度較高，不利于凝汽器中的凝結(jié)流動(dòng)。通過針對(duì)該大功率汽輪機(jī)排汽缸流動(dòng)特性的試驗(yàn)分析，需針對(duì)其關(guān)鍵結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行相應(yīng)改進(jìn)，以優(yōu)化排汽缸的氣動(dòng)性能，同時(shí)也為后續(xù)的排汽缸優(yōu)化設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：排汽缸 能量損失 速度不垂直度 試驗(yàn)測試

中圖分類號(hào)：TK26 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）01（c）-0051-04

排汽缸是汽輪機(jī)的重要組件之一，它是連接汽輪機(jī)末級(jí)和凝汽器的中間部件，其主要功能是將汽輪機(jī)末級(jí)的排汽輸送至凝汽器中去，通過在凝汽器中對(duì)氣流的擴(kuò)壓達(dá)到利用汽輪機(jī)排汽的余速動(dòng)能的目的。由于末級(jí)排汽為亞聲速，排汽缸通過選取沿流向逐漸增加的橫截面積使汽流增壓至凝汽器壓力，以此減小汽輪機(jī)末級(jí)的壓力，以增加有用焓降，使得相對(duì)內(nèi)效率能夠有所增加[1]。

針對(duì)汽輪機(jī)排汽缸的相關(guān)試驗(yàn)研究工作比較多，且多集中于仿真計(jì)算發(fā)展前期，以全尺寸試驗(yàn)和模型試驗(yàn)為主，主要是以試驗(yàn)結(jié)果為依據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)方面的相應(yīng)改進(jìn)，以提高其氣動(dòng)性能。相比較而言，全尺寸試驗(yàn)成本較高，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而模型試驗(yàn)相對(duì)試驗(yàn)周期更短，成本更低，已成為排汽缸試驗(yàn)研究的首選。Tajic L[2-3]等人采用1∶4?；呐牌啄Ｐ蛯?duì)某排汽缸進(jìn)行了試驗(yàn)研究，主要考查擴(kuò)壓器出口的相對(duì)位置和壁面粗糙度對(duì)排汽缸的影響情況。試驗(yàn)研究結(jié)果顯示，擴(kuò)壓器出口到前壁面的距離與排汽缸的氣動(dòng)損失近似成正比例關(guān)系，該距離越小，其氣動(dòng)損失越小；而壁面的粗糙度并沒有對(duì)缸內(nèi)的氣流運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生顯著影響，因此，可以不考慮它的影響作用；葉頂間隙泄漏能夠提高排汽缸的氣動(dòng)性能，但與此同時(shí)降低了末級(jí)葉片排的效率Kasilov[4]等人針對(duì)排汽缸內(nèi)的漩渦結(jié)構(gòu)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果表明，雖然能夠通過一些措施破壞排汽缸內(nèi)的漩渦結(jié)構(gòu)，一定程度上降低排汽缸的損失系數(shù)，但同時(shí)也會(huì)增加排汽缸的氣動(dòng)損失，需精心設(shè)計(jì)破壞排汽缸內(nèi)漩渦結(jié)構(gòu)的方法以降低排汽缸內(nèi)的氣動(dòng)損失；付經(jīng)綸[5]等人對(duì)某單級(jí)透平的汽輪機(jī)排汽系統(tǒng)模型的內(nèi)流場進(jìn)行了試驗(yàn)及數(shù)值研究，通過數(shù)值模擬和試驗(yàn)測試發(fā)現(xiàn)，非軸對(duì)稱模型內(nèi)流場的葉片表面的氣動(dòng)力分布和出口流場分布在圓周方向均為不均勻分布，且由于其進(jìn)口位置的氣流角影響，葉展方向的總壓變化強(qiáng)烈，造成擴(kuò)壓器內(nèi)部的氣流分離現(xiàn)象惡化，嚴(yán)重影響了擴(kuò)壓效果；趙寶珠[6]等人依托某氣動(dòng)試驗(yàn)風(fēng)洞對(duì)某30萬kW汽輪機(jī)的排汽系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)測試，試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，其喉部出口位置大約有20%以上的區(qū)域?yàn)樨?fù)壓區(qū)，使得出口截面流動(dòng)分布更為不均勻，嚴(yán)重影響了汽輪機(jī)的出力，相應(yīng)提高了機(jī)組運(yùn)行成本。

該文主要針對(duì)某大功率汽輪機(jī)排汽缸進(jìn)行相應(yīng)的?；囼?yàn)，以研究其氣動(dòng)特性情況，主要通過排汽缸的能量損失和出口截面的速度不垂直度兩個(gè)指標(biāo)來衡量排汽缸的流動(dòng)損失情況，為今后的結(jié)構(gòu)改進(jìn)工作提供一定幫助。

1 試驗(yàn)方法

該?；碉L(fēng)試驗(yàn)是在低速風(fēng)洞試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行的，該試驗(yàn)臺(tái)具有大流量、高壓頭，風(fēng)量穩(wěn)定，壓力波動(dòng)小，可以滿足試驗(yàn)所需各工況對(duì)試驗(yàn)條件的要求。圖1給出了進(jìn)行?；囼?yàn)的排汽缸試驗(yàn)臺(tái)的簡圖。

汽輪機(jī)實(shí)際工作過程中，氣流在排汽缸內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)如下：從入口管道流入，經(jīng)過導(dǎo)流錐，氣流呈環(huán)形軸向流動(dòng)，進(jìn)入導(dǎo)葉柵，氣流在導(dǎo)葉柵的作用下從單純的軸向流動(dòng)變?yōu)榫哂幸欢ㄖ芟蛩俣确至康男?，旋流角度與實(shí)際汽輪機(jī)末級(jí)動(dòng)葉出口氣流相符，旋流的氣流流經(jīng)由內(nèi)弧體、背弧體組成的流道，流動(dòng)方向由汽輪機(jī)軸向轉(zhuǎn)向徑向流動(dòng)，從蝸殼一側(cè)的矩形出口流出排汽缸試驗(yàn)件。

試驗(yàn)測試的測點(diǎn)布置在總進(jìn)氣管道和排汽出口端面，根據(jù)進(jìn)氣管道的總壓、靜壓的測量結(jié)果，就可以計(jì)算出該位置的平均氣流馬赫數(shù)，作為試驗(yàn)工況的控制參數(shù)進(jìn)行調(diào)整進(jìn)氣操作。試驗(yàn)中，在穩(wěn)定工況下，該平均馬赫數(shù)的相對(duì)偏差小于1%；為避免氣流在流出排汽缸排汽口后直接排向大氣急速擴(kuò)散，導(dǎo)致影響排汽口流場的流動(dòng)，進(jìn)行出口測量的探頭在測量時(shí)處于距離排汽缸出口邊緣40 mm位置的內(nèi)部，試驗(yàn)過程中選擇五孔球頭探針進(jìn)行相關(guān)量的測量，采用非對(duì)向測量方法，擬定系統(tǒng)的采樣時(shí)間為60 s。圖2為排汽缸出口截面的測點(diǎn)布置示意圖，為了確保流場測量的準(zhǔn)確性，同時(shí)對(duì)流場結(jié)構(gòu)變化較大的角區(qū)和邊界區(qū)域進(jìn)行了測點(diǎn)的局部加密。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

針對(duì)汽輪機(jī)排汽缸氣動(dòng)性能的評(píng)估以出口截面上的氣動(dòng)參數(shù)分布情況進(jìn)行，通過能量損失系數(shù)來考察排汽缸的能量損失，通過速度不垂直度來評(píng)估出口位置的流動(dòng)情況。

能量損失系數(shù)定義為：

（1）

式中：P為測量位置靜壓；P*為測量位置總壓；Pin*為入口總壓；k為絕熱指數(shù)。

速度不垂直度：

評(píng)估排汽缸出口截面流動(dòng)分布的參數(shù)，是出口氣流速度矢量對(duì)出口截面的不垂直度，即出口氣體流動(dòng)速度和出口位置法線之間夾角的質(zhì)量平均值。

（2）

式中：為測量面內(nèi)速度分量；Vz為垂直于測量面的速度分量。

2.1 能量損失分析

圖3為該模型試驗(yàn)件出口位置的能量損失系數(shù)等值云圖。通過圖3中可以看到，在該模型試驗(yàn)件出口位置有3個(gè)比較高的能量損失區(qū)。左右兩個(gè)高損失區(qū)面積較大，損失值較高，這兩個(gè)高損失區(qū)是氣流流出徑向擴(kuò)壓管，在蝸殼內(nèi)流向頂部矩形出口截面時(shí)，在其底部由機(jī)組子午面處分流，分別形成的兩個(gè)旋渦所造成。旋向相反的兩個(gè)旋渦相互作用，產(chǎn)生面積和損失值相對(duì)兩個(gè)高損失區(qū)較小的第3個(gè)高損失區(qū)，位于出口截面中間位置。

氣流在排汽缸中的流動(dòng)主要是繞流導(dǎo)向葉柵、軸向轉(zhuǎn)徑向擴(kuò)壓管以及蝸殼這3個(gè)組件。在導(dǎo)向葉柵中氣流實(shí)現(xiàn)流動(dòng)方向變化，模擬末級(jí)絕對(duì)出氣方向，使氣流有一定的預(yù)旋，因此，可不考慮氣流是膨脹還是擴(kuò)壓。該文認(rèn)為主要是在軸向徑向擴(kuò)壓管中擴(kuò)壓，同時(shí)在擴(kuò)壓管中氣流折轉(zhuǎn)90°，從軸向流動(dòng)進(jìn)入徑向流動(dòng)。被收集到蝸殼體內(nèi)的氣流，沿蝸殼環(huán)狀通道流向頂部的矩形出口，沿蝸殼底部子午面發(fā)生分流，在向頂部流動(dòng)的同時(shí)，因蝸殼中設(shè)置了斜板，氣流膨脹加速。由此看來，排汽缸的流動(dòng)損失和不均勻性主要取決于來流的扭曲度以及擴(kuò)壓管和蝸殼之間擴(kuò)壓度分配。特別需要指出的是來流扭曲度決定出口截面左右兩側(cè)流動(dòng)的對(duì)稱性，擴(kuò)壓管的擴(kuò)壓度決定流動(dòng)損失的大小。

2.2 速度不垂直度分析

圖4為試驗(yàn)件出口位置的速度不垂直度的等值分布云圖。由速度不垂直度的定義式可知，不垂直度的大小是排汽缸出口截面，亦即凝汽器進(jìn)口截面氣流方向偏離截面法向程度的度量。這也是保證凝汽器氣動(dòng)性能的要求條件之一。實(shí)質(zhì)上，速度不垂直度正比于出口位置的速度分量，這個(gè)分量愈大，速度不垂直度也愈高。從圖4中可以看到，排汽缸出口截面的速度不垂直度較高，其提供給凝汽器的入口氣流方向不利于凝汽器中的凝結(jié)流動(dòng)。

3 結(jié)語

該文通過針對(duì)某大功率汽輪機(jī)排汽缸進(jìn)行模化試驗(yàn)測試，考察排汽缸出口截面的能量損失和速度不垂直度評(píng)估排汽缸的氣動(dòng)性能，結(jié)論如以下幾點(diǎn)。

（1）在排汽缸出口截面上存在左右兩個(gè)高損失區(qū)，是氣流流出徑向擴(kuò)壓管，在蝸殼內(nèi)流向頂部矩形出口截面時(shí)，其底部由機(jī)組子午面分流，分別形成的兩個(gè)旋渦所造成；旋向相反的兩個(gè)旋渦相互作用，產(chǎn)生處于中間位置的第3個(gè)高損失區(qū)。排汽缸的流動(dòng)損失主要取決于來流的扭曲度以及擴(kuò)壓管和蝸殼之間擴(kuò)壓度分配。

（2）排汽缸出口截面的速度不垂直度較高，其提供給凝汽器的入口氣流方向不利于凝汽器中的凝結(jié)流動(dòng)。

（3）針對(duì)該大功率排汽缸流動(dòng)損失較大的情況，可通過改進(jìn)排汽缸相關(guān)結(jié)構(gòu)尺寸的方法來進(jìn)行氣動(dòng)性能優(yōu)化，主要包括出汽邊高度、斜板角度以及蝸殼上部偏移量等。

參考文獻(xiàn)

[1] 黃樹紅.汽輪機(jī)原理[M].北京：中國電力出版社，2008.

[2] Tajic L，Bednr L.Exhaust Hoods of Double-Flow Arrangement[J].4th European Conference on Turbomachinery，2000.

[3] Tajic L，Bednr L，Hoznedl M.Exhaust Hood for the Steam Turbines of Single-Flow Arrangement[J].CMP Turbomachinery，2005.

[4] V F Kasilov.An Investigation of Facilities Acting on Swirl Flow in the Collection Chamber of the Exhaust Hoods for the Low-Pressure Cylinder in Steam Turbines[J].Thermal Engineering，2000，47（11）：984-990.

[5] 付經(jīng)綸，周嗣京，劉建軍.軸流透平與排汽系統(tǒng)間的相互作用研究[J].工程熱物理學(xué)報(bào)，2008，29（4）：567-572.

[6] 趙寶珠，郭玉雙.300 MW汽輪機(jī)排汽通道氣動(dòng)性能的研究[J].汽輪機(jī)技術(shù)，2002，44（5）：282-284.