排汽缸内置挡板对其流场影响的数值研究

黄 俊 ，丁斌开，杨新健

(1.安徽马鞍山当涂发电有限公司，安徽 马鞍山 243102;2.国电蓬莱发电有限公司，山东 蓬莱 265601;3.华北电力大学 电站设备状态检测与控制教育部重点实验室，河北 保定 071003)

0 引言

汽轮机低压排汽缸作为连接汽轮机末级和凝汽器的通道，是汽轮机组的关键部件，将通流部分末级流出的汽流很好地组织引导进凝汽器，并将末级出口的余速动能尽可能地转化为压力能。在凝汽器压力给定的情况下，降低汽轮机末级出口处的静压，能够提高汽轮机组的效率。排汽缸流场直接影响到凝汽器喉部的流场，进而影响凝汽器的换热［1］。对大功率汽轮发电机组，排汽缸能量相当于总可用能量的2%以上，大约占机组总损失的15%［2］。

排汽缸一般由扩压管和蜗壳组成。汽流在扩压管内实现扩压和转弯，再在蜗壳内进行一系列复杂的流动。在扩压管的内外壁面附近，汽流容易形成漩涡(Vortex)，对下游造成干扰并增大能量耗散。文献［3～6］研究了排汽缸尺寸对其气动性能的影响，文献［7～13］研究了扩压管流场对排汽缸性能的影响。本文着重对国产某600 MW机组排汽缸的上半部内产生的漩涡进行研究，通过装设一列挡板，能将此处漩涡强度减弱，改善排汽缸内流场。

1 模型计算区域

图1 为排汽缸内流场计算区域 (1/2 模型)示意图，图2 为排汽缸计算区域网格示意图，经过网格无关性验证，网格数约为200万个，保证了计算的精准度。

图1 排汽缸(1/2 模型)流场计算区域示意图Fig.1 Diagrammatic drawing of flow field computational domain in exhaust hood (half)

在Fluent 软件平台上，基于压力求解由连续性方程和动量方程组成的方程组。选取速度进口和压力出口作为边界条件;壁面为无滑移壁面边界;选择SIMPLE 作为压力－速度耦合方式［14］。

连续性方程:

图2 排汽缸计算网格示意图Fig.2 Diagrammatic drawing of computational grid in exhaust hood

动量方程:

2 数值模拟与分析

排汽缸内，用ΔPc来描述排汽压力损失:

式中:Pin为排汽缸进口压力，Pa;Pout为排汽缸出口压力，Pa;

2.1 未加装挡板的排汽缸数值模拟与分析

对未加装任何装置的排汽缸进行数值模拟，结果如图3 所示。从图3(a)可以清楚地看出，在扩压管下游的汽缸拱顶处产生了漩涡，中分面以上的空间内，漩涡螺旋前进流动，螺旋程度由强逐渐减弱;中分面以下的空间内，汽流已接近直流。

图3 未加装挡板的排汽缸内流场分布Fig.3 Flow field in exhaust hood without deflectors

排汽缸内漩涡扰乱了蜗壳内的流场，增大了能量损失，使得蜗壳内的总压损失占排汽缸总损失的份额比扩压管的总压损失占排汽缸总损失的份额大很多(如图4)。如果在中分面以上的蜗壳内装设挡板，能减弱漩涡的强度，改善排汽缸内的流场。

图4 未加装挡板的排汽缸各部分压力损失比Fig.4 Pressure loss ratio in different parts of exhaust hood without deflectors

2.2 加装挡板的排汽缸数值模拟与分析

图3 (b)所示的排汽缸子午面速度矢量图中，位置1 与位置2 之间的范围为漩涡的中心低速区域，在此范围内加装挡板能达到较好的消涡效果。

首先在位置1 加装一片挡板，其下边缘与汽缸壁相连(如图5)，对排汽缸进行数值模拟，结果如图6，可以看出，汽流受到位置1 挡板的阻挡后，不能继续向前流动，只能顺着挡板延伸的方向有规律的流向排汽缸出口，如同一股直流。计算结果显示，与没有挡板的排汽缸相比，排汽压损减小了12 Pa。

图5 挡板位置示意图Fig.5 Site of deflectors in exhaust hood

图6 位置1 装置挡板的排汽缸内流线Fig.6 Streamlines in exhaust hood with deflectors on site 1

在位置2 加装一片挡板，并对排汽缸进行数值模拟，结果如图7 所示。结果表明，位置2 挡板的下边缘与壁面之间的距离为150 mm 的时候，排汽缸流动特性最优，排汽缸总压损失进一步减小10 Pa。

图7 位置1 和位置2 装置挡板的排汽缸内流线Fig.7 Streamlines in exhaust hood with deflectors on site 1 and site 2

在位置1 和位置2 之间继续均匀加装若干个挡板(图5)。挡板组正好穿过漩涡的中心区域，将漩涡分割成若干个部分，流体被限制在挡板与挡板之间和挡板与汽缸壁之间的有限空间内，并顺着挡板延伸的方向流动，如同若干股直流排向出口(图8)。模拟结果表明，挡板组下边缘与汽缸壁之间的距离为150 mm 的时候，效果最佳，可继续使排汽阻力损失减小30 Pa。

图8 装置挡板组的排汽缸内典型流束流线Fig.8 Streamlines in exhaust hood with deflectors series

与没有加装任何装置的排汽缸相比，加装了挡板组的排汽缸排汽压损减小了52 Pa，蜗壳部分总压损失占排汽缸总损失的份额由原来的0.763降低至0.692 (如图9)。

图9 加装挡板的排汽缸各部分压力损失比Fig.9 Pressure loss ratio in different parts of exhaust hood with deflectors

3 结论

(1)汽流从扩压管排出后，翻转变向，在上半缸形成一处强度较大的漩涡，该漩涡造成的排汽损失是排汽缸总损失的主要部分。中分面以上的空间内，漩涡螺旋前进流动，螺旋程度由强逐渐减弱;中分面以下的空间内，汽流已接近直流。

(2)通过对漩涡的研究发现，在上半缸内装置一列挡板，能在一定程度上削弱漩涡的强度，使汽流能顺着挡板延伸的方向有规律的流动，如同多股直流排向出口，排汽缸流场得到了改善。与没有装置挡板的排汽缸相比，在上半缸装置了一列挡板的排汽缸的排汽压损降低了52 Pa，蜗壳部分的总压损失比由原来的0.763 降低至0.692。

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