汽轮机高压抽口气动分析及结构改进设计

平艳， 张晓东， 钟主海

（东方电气集团东方汽轮机有限公司， 四川德阳， 618000）

1 前言

现代社会对能源的需求不断增大， 由此产生的能源危机也愈发严重， 对能源的综合利用也开始得到更大程度的重视。 作为现代化国家重要动力设备的汽轮机， 提高其经济性对节约能源明显具有重大的意义， 而在汽轮机中增加抽汽系统无疑是最具代表性的一种能源综合利用方式， 如图1所示。

图1 抽汽回热式汽轮机

抽汽无论是用于回热还是供热都能有效地提高汽轮机效率以及能源利用率， 并且有效减少对环境的污染。 为提高汽轮机系统的经济性并满足生活和工业用热的要求， 现代大型蒸汽轮机普遍采用抽汽回热和再热循环系统。 因此， 汽轮机组的抽汽系统对机组和电厂的热经济性起着重要作用。 但是较大的抽汽量必然会引起汽轮机抽汽缝隙附近的通流部分、 抽汽缝隙和抽汽腔室内部以及连接管之间的流动参数在径向和周向分布不均匀。 这种不均匀分布会改变抽汽缝隙附近汽轮机级的流动状态， 并最终改变汽轮机抽汽缝隙附近级效率， 会造成汽轮机的安全隐患。 从提高机组的经济性和安全性等方面考虑， 对汽轮机抽汽系统的抽汽缝隙、 抽汽腔室和连接管内的流场进行研究是非常有必要的。 气流从主流流道通过抽汽缝隙进入抽汽腔室， 最后由连接管流出。 由于抽汽缝隙轴向宽度一般较小， 气流经过它的流动速度较大， 因此气流具有很大的动能， 在抽汽腔室经过一定膨胀进入直径较小的连接管， 在抽汽腔室与连接管的连接区域， 气流经过摩擦、 涡流和转向等阻力作用又会产生一部分压力损失。 要提高机组的经济性，要求高压抽口具有良好的气动性能， 尽可能降低整个过程中的总压能量损失。

本文以某机组的高压抽口为研究对象， 采用商业CFD 软件CFX 分析技术， 计算分析了影响高压抽口的各个因素， 得到提高其气动性能的有效措施， 为高中压抽口结构优化提供了有益参考。

2 计算模型、 网格划分方式及数值方法

2.1 计算模型

采用三维建模软件对高压抽口建立CFD 模型， 与实物比例为1:1， 抽汽缝隙、 腔室及连接管结构与实物保持一致。 在进行抽口数值计算时，以抽口所在级的动叶出口延长段为计算域进口，以连接管出口的延长段为计算域出口， 计算域示意图如图2 所示。

图2 抽口计算域示意图

2.2 网格划分

采用商业软件Ansys Meshing 对高压抽口进行网格划分。 由于抽口结构的不规则性， 分析网格采用非结构化网格， 并在网格数量和质量上进行网格无关性的验证， 整体计算域的网格数目在4.5×106左右， 满足分析软件的网格要求。

2.3 数值方法

计算普遍采用雷诺时均方程Navier-Stokes 方程组， 并且应用恰当的湍流计算模型对方程组进行封闭。 采用ANSYS CFX13.0 对高压抽口网格进行RANS 方程的数值求解， 湍流模型为SST 剪切输运模型， SST 模型考虑了湍流剪切应力， 不会对涡流黏度造成过度预测， 特别适用于要求高精度边界层的模拟。 离散格式为高精度格式， 壁面处理方式选择绝热无滑移光滑壁面。 计算工质使用CFX 内嵌的的高精度水蒸气数据库——IAPWS97，高压抽汽工作于过热蒸汽区， 在计算过程中， 计算域进口给定总压、 总焓， 并按照进口面均匀处理， 出口边界条件根据机组整体方案取流量边界。分析在高性能计算服务器上完成。 本次研究重点关注流量、 残差及总压损失系数的收敛曲线。

3 计算结果与分析

3.1 抽汽腔室与连接管过渡

从计算域进口到出口的总压损失系数ψ 为1.9%， 从计算结果来看该高压抽口的气动性能有相对偏差。 图3 给出了高压抽口在周向面的总压和流速分布图， 从图中可以看出， 在抽汽腔室与连接管衔接的区域存在速度突变现象， 形成局部漩涡造成明显的压力损失。

图3 高压抽口特征截面上总压等值线和流线分布图

统计从抽汽腔室出口至连接管出口存在较大的总压压损， 约占总压损失的37%， 因此需在该区域增加一个过渡腔室， 优化流动过程进而降低压损。 计算模型如图4 所示。 （本文以下的研究中所有的总压损失均由占原始模型总压损失的百分比表示。）

图4 高压抽口抽汽腔室和连接管间增加过渡腔室示意图

图5 为增加过渡腔室后特征截面处的总压等值线和流线分布图。

图5 高压抽口特征截面总压等值线和流线分布图

从图5 的总压和流速分布图来看， 流动明显更为稳定， 过渡腔室与抽汽管的衔接部分速度突变现象也得到有效改善。 统计高压抽汽优化模型CFD 计算结果， 抽汽总压损失约是施工模型的51%。 因此， 在抽汽腔室与连接管之间增加一个过渡腔室是改善高压抽口气动性能的有效途径。

3.2 抽汽腔室的影响

图6 给出了原始模型子午面上的总压及流线分布图。

图6 高压抽口特征截面总压等值线和流线分布图

从图6 可以看出， 在抽汽腔室内有明显漩涡，从而在抽汽腔室内部流场形成明显的压力梯度，造成相应的总压能量损失。 统计原始模型抽汽腔室段的总压损失， 约占全部总压损失的34%， 因此抽汽腔室内的流动对高压抽口的性能具有较大的影响。 将抽汽缝隙放在抽汽腔室的对称位置，保证相同的腔室流速， 将原始模型不规则的抽汽腔室形状改变为规则的扁椭圆、 方形、 圆形和立椭圆4 种结构， 其二维示意图如图7 所示。

图7 高压抽口不同抽汽腔室二维示意图

图8 为不同抽汽腔室内的总压等值线分布图。

图8 高压抽口不同抽汽腔室总压等值线分布图

从腔室内部压力等值线分布来看， 在相同流速条件下， 扁椭圆和方形腔室内压力分布比较均匀， 圆形和立椭圆形抽汽腔室内部流场存在较大的压力梯度。

图9 为连接管内总压等值线分布图。

图9 不同抽汽腔室高压抽口内的连接管内总压等值线分布图

从连接管内的总压等值线分布图来看， 扁椭圆和方形腔室形状的高压抽口连接管内的总压等值线分布比较均匀， 而圆形腔室的高压抽口连接管内的流场开始出现明显的压力梯度， 立椭圆形状的抽汽腔室压力梯度最大， 气动性能也最差。

图10 为不同抽汽腔室形状的高压抽口特征截面处的总压等值线分布图。

图10 不同抽汽腔室的高压抽口特征截面处总压等值线分布图

从图10 可以看出， 从抽汽腔室流入抽出的汽体在进入连接管的过程中， 方形和扁椭圆形抽汽腔室的高压抽口总压能量损失较小， 相对来说，方形腔室形状的高压抽口气动性能明显占优， 而圆形和立椭圆形抽汽腔室的高压抽口在流动过程中出现较为明显的压力梯度， 进而造成相对较大的总压能量损失。

图11 为不同抽汽腔室的高压抽口特正截面处的流线分布图。

图11 不同抽汽腔室的高压抽口特征截面处流线分布图

从图11 的流线分布图来看， 在抽汽腔室从方形到扁椭圆、 圆形和立椭圆的形状变化过程中，连接管的流速逐渐变大， 这也使高压抽口的能量损失逐渐变大。

而对总压能量损失的统计表明， 抽汽腔室为扁椭圆时， 总压损失约占原始模型的47.7%； 抽汽腔室为方形时， 总压损失约占原始模型的45.7%； 抽汽腔室为圆形时， 总压损失约占原始模型的50%； 抽汽腔室为立椭圆时， 总压损失约占原始模型的55%。 综合以上， 将抽汽腔室由不规则修改为规则形状能够明显体改高压抽口的气动性能， 尤其方形腔室和扁椭圆腔室形状在降低抽口总压损失方面效果相对更好。

3.3 抽汽缝隙流速、 形状及位置影响

统计原始模型抽口缝隙进口到出口的总压损失， 约占全部总压损失的25%， 因此抽汽缝隙对高压抽口的气动性能具有较大的影响。 本文对抽汽缝隙的研究以方形抽汽腔室形状为研究对象。

图12 为不同抽汽缝隙轴向宽度的二维示意图。

图12 不同抽汽缝隙进入抽汽腔室的流速

轴向宽度改变引起进入抽汽腔室的流速不同，对气动性能的影响也不同。 总压损系数随抽汽缝隙进入抽汽腔室流速的变化趋势如图13 所示。

图13 总压损失随抽汽缝隙进入抽汽腔室流速变化趋势图

从图13 中可以看出， 总压损随着抽口段流速的增大逐渐增加， 当抽口段流速大于50 m/s 时，压力损失增加较快， 气动性能明显变差。

图14 为抽汽缝隙在抽汽腔室不同位置处的二维示意图。

图14 高压抽口不同抽汽缝隙位置二维示意图

图15 为不同抽汽缝隙位置的高压抽口特征截面处的总压等值线分布图。

图15 不同抽汽缝隙位置的高压抽口连接管总压等值线分布图

从图15 可以看出， 抽汽缝隙处于抽汽腔室的对称位置时， 连接管内的流场流动较为稳定， 压力分布均匀， 当抽汽缝隙偏离抽汽腔室的对称位置时， 连接管内出现明显的压力梯度， 尤其是抽汽缝隙距离进汽侧较近时， 这种气动性能变差的趋势更为明显。

抽汽缝隙处于抽汽腔室不同位置处的计算结果如图16 所示。

图16 总压损失随抽汽缝隙位置变化趋势图

从图16 可以看出， 抽口段设在抽汽腔室中心附近总压损失最小， 气动性能最好。

图17 为抽汽缝隙不同形状的二维示意图。

图17 不同抽汽缝隙形状的二维示意图

图18 为不同抽汽缝隙形状的高压抽口连接管总压等值线分布图。

从图18 可以看出： 抽汽缝隙偏向出汽侧时，主流通道通过抽汽缝隙后压力损失明显变大； 抽汽缝隙位于对称位置处， 压力损失稍微降低； 抽汽缝隙偏向进汽侧时， 主流流道进入抽汽缝隙然后流入抽汽腔室， 最终进入连接管的整个过程总压能量损失明显降低， 气动性能最为理想。

不同抽汽缝隙形状的计算结果如图19 所示。

从图19 可以看出， 抽口段由向出汽侧偏转到向进汽侧偏转的过程中压损逐渐减小， 其中在向进汽侧偏转的过程中角度在0~30°变化时总压收益最为明显， 气动性能相对较好。

4 结论

通过以上计算分析， 可以得到以下结论：

（1）抽汽腔室与连接管之间的连接区域对整个高压抽口的气动性能的影响很大， 降低两者之间的速度突变程度， 能够有效提高抽口整体的气动性能；

（2）抽汽腔室形状的选择对抽汽部分的气动性能影响也比较大， 因抽汽腔室的不规则性而造成的整个高压抽口内的流场分布的不均匀性及连接管内的漩涡会影响整个高压抽口的气动性能变差；反之， 规则形状的抽汽腔室能够明显改善抽口的气动性能， 并且通过调整抽汽腔室的形状以控制与连接管连接部分的流速， 能够将高压抽口的气动性能得到很大程度上的优化；

（3）抽汽缝隙的形状、 位置以及进入抽汽腔室的流速均会对整个抽口的气动性能产生很大影响，根据流场流动特性调整抽汽缝隙会使高压抽口的气动性能得到有效提升。