汽轮机低压排汽缸气动性能的数值研究-.pdf

第 5 2卷 第 5期 2 0 1 0年 1 O月 汽轮机技术 TURBI NE TECHN0L0GY Vo 1 ． 5 2 No ． 5 O o t ． 2 01 0 汽轮机低压排汽缸气动性能的数值研究 程云生 ， 全晓军 ， 章任蕾 1江苏双良科技有限公 司热 电分公司， 江苏 2 1 4 4 0 0； 2上海交通大学机械与动力工程 学院， 上海 2 0 0 2 4 0 摘要 汽轮机低压排汽缸的气动性能对汽轮机组效率的影响至关重要。采用 C F D软件 C F X， 对某型号机组的低压 排汽缸小尺寸实验模型在不同来流条件下进行数值模拟研究 ， 并进行了具有对称和非对称两种不同结构扩压器的 排汽缸性能对比。结果表明不同的进口旋流对排汽缸性能影响很大 ， 扩压器性能是影响排汽缸性能的主要因素， 非对称扩压器更有利于排汽缸性能 的提高 。 关键词 非对称 扩压 器 ； 汽轮机 ； 排汽缸 ； 数值模拟 分类号 T K 2 6 2 文献标识 码 A 文章编 号 1 0 0 1 - 5 8 8 4 2 0 1 0 0 5 - 0 3 5 9 - 0 4 T h e Nu me r i c a l I n v e s t i g a t i o n o f S t e a m T u r b i n e L o w p r e s s u r e E x h a u s t Ho o d Ae r o d y n a mi c P e r f o r ma n c e C H E N G Y u n - s h e n g ， Q U A N X i a o - j u n ， Z H A N G R e n l e i 1 J i a n g h s u S h u a n i a n g T e c h n o l o g y c o ． ， L T D ， T h e r m o e l e t r i c B r a n c e h ， J i a n g s u 2 1 4 4 0 0 ， C h i n a ； 2 S c h o o l o f M e c h a n i c a l a n d P o w e r E n g i n e e r i n g ， S h a n g h a i J i a o t o n g U n i v e r s i t y ， S h a n g h a i 2 0 0 2 4 0 ， C h i n a Ab s t r a c t Th e s t e a m t u r bi n e e ffic i e n c y i s h i g h l y i n flue n c e d b y t h e a e r o d y n a mi c p e rfo r ma nc e o f l o w p r e s s u r e e x h a u s t h o o d． Nume ric a l s i mu l a t i o n s a r e c a r r i e d o u t o n a s c a l e mo de l o f l o w p r e s s u r e e x ha u s t h o o d a t di f f e r e n t i n flo w c o n d i t i o ns， a nd a c o mp a ri s o n i s ma d e b e t w e e n t w o k i n d s o f e x h a u s t h o o d wi t h s y mme t ri c a n d n o n s y mme t r i c d i f f u s e r r e s p e c t i v e l y ． B y a n a l y z i n g t h e t o t al p e r f o r ma n c e o f e x h a u s t h o o d a n d fl o w p h e n o me n o n i n t h e d i f f u s e r ， t h e i nfl u e n c e s o f i n f l o w c o n d i t i o n s a n d g e o me t ric al s h a p e t o e x h a u s t h o o d a e r o d y n a mi c p e rf o rm a n c e a r e p r e s e n t e d ． Ke y wo r d s n o n - s y mm e t r i c d i ffu s e r ；s t e a m t ur b i n e；e x h a u s t h o o d；n u me r i c a l s i mu l a t i o n 0 前言 法研究排 汽缸中不同结 构扩 压器 和不 同来流条 件对 排汽缸 气动性能的影响。为了解和掌握排汽缸中气体流动的规律 和设计中如何提高排汽缸的气动性能提供了有益的参考。 汽轮机低压排汽缸是连接汽轮机低压缸和冷凝器的通 道， 同时对汽轮机末级排出的汽流扩压， 把余速动能转化为 1 数佰计算 压力能， 在冷凝器喉部真空度一定的情况下， 可以降低汽轮 机末级叶片 出口处 的静压 ， 增 加机组 的 可配置 焓降 ， 有 利于 1 ． 1 排汽缸几何模 型 提高机组热效率 。文献 指出汽轮机末级余速动能 为 4 5 k J ／ 本文 以某 型号排 汽缸的 1 ／ 1 0小尺寸实 验模型为研 究对 k g～ 6 0 k J ／ k g ， 可见 排 汽损 失是 相 当可 观 的。文献 中提 到 象 。排汽缸模型 由扩压器 ， 排汽蜗壳和 出口延长段组成 ， 图 1 排汽缸损失系数降低 0 ． 1 ， 可相应使得汽轮机的整机效率提 为其几何结构示意图， 该模型关于 yz平面 X 0 对称 ， 高0 ． 1 5 ％， 因此研究如何提高排汽缸的气动性能对于提高汽 图中的 1 、 2 、 3分别代表扩压器进 口， 排汽蜗壳进 口， 排汽缸 轮机组效率具有十分重大的经济价值和现实意义。排汽缸 、出口。排汽缸中扩压器一般为环状对称结构如图 2所示。 内的流动是典型的扩压流动， 压力损失主要受来流条件， 排 文献 进行了不同几何尺寸的排汽缸吹风试验， 试验表明导 汽缸几何结构等因素的影响 。文献 研究了排汽缸进 流环出口直径适当增大有利于提高排汽缸气动性能， 但是过 口条件对排汽缸气动性能的影响， 研究表明排汽缸的气动性 度增大导流环出口直径会使导流环出口与排汽缸侧壁和顶 能对入 口气流的变化具有很大的敏感性。同时 T i n d l e还研 壁之间的空间太小， 气流在该流道内被迫加速， 从而降低静 究 了 u ， s 2两种不 同形 状 的导 流环 对排 汽缸 性 能的 影响 。 压恢 复能力 ， 所 以导 流环 的 出 口直径 不能 随意 扩大 ， 必需 考 本文借助 C F X软件平台， 以上海汽轮机有限公司某型号机 虑到导流环出口与排汽蜗壳侧壁及顶壁之间的空间。基于 组的排汽缸小尺寸试验模型为研究对象， 采用数值计算的方 上述考虑保持扩压器导流环型线在 y方向不变， 仅增加导流 收稿 日期 2 0 1 0 -0 1 -09 基金项 目 中国博士后基金 2 0 0 9 0 4 5 0 6 9 3 。 作者简介 程云生 1 9 7 0 一 ， 男， 工 程师 ， 主要从事火 电机组技术及运行管理工作 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 6 0 汽轮机技术 第 5 2卷 图 1 排汽缸模型示 意图 图 2 对称扩压器 一 ／／／ ＼ ＼ ＼ l ／ ／轴 承 锥 ／ 图 3 非对称扩压器 环型线的正负 方 向和负 y 方 向的长度 ， 分别延长原始导 流 环 出口直径的2 0 ％ ， 使得 扩压器为上下 非对称结构如 图 3所 示 。这种非对称结构 的扩压器对排汽缸气动性能 的影 响 ， 目 前国内文献中尚未有报道。 1 ． 2 数值计算方法 随着网格生成技术及计算流体力学的发展， 越来越多的 研究者采用数值手段来研究汽轮机排汽缸中的流动特性。 采用数值方法与试验研究相比具有周期短， 得到的数据更为 全面等优点。本文采用商业 C F D软件 C F X来模拟排汽缸内 的流动特性， 分别计算具有对称和非对称扩压器的排汽缸在 不同来流条件下的流场分布并进行总体性能的比较。由于 排汽缸出口处存在一对大的通道涡， 造成流动不均匀和不稳 定， 为了减少出口流动不稳定对计算收敛的影响， 计算域从 排汽缸出口处向下游延伸。如图 1所示， 计算域分为 3个部 分 扩压器 、 排 汽蜗壳 、 出 口延伸 段。采 用 I C E MC F D 的 H E X A模块对计算域 3个部分分 别生成结 构化 网格 ， 然后在 C F X中集成到一体进行计算。考虑到壁面黏性对计算的影 响， 在壁面处网格节点分布密集， 第一层节点距离壁面距离 为0 ． 5 m m， 最小 Y 值为1 1 ． 0 6 ， 每层网格节点距离 比为1 ． 2 。 采用网格单元数分别为4 0 2 O 6 O， 6 1 70 6 2 ， 8 6 00 4 8 的 3套网格 进行网格 无关性 检验， 计 算结果 表 明在 网格 单元 数为 6 1 7 0 6 2 ， 8 6 00 4 8 时排 汽缸 的气动性能参数 的差距不超过 2 ％， 最后用于计算时采用的网格单元数为6 1 7 0 6 2 ， 各个计算 域网格的具体参数如表 1所示。本文的数值计算采用的计 算工质为完全气体， 湍流模型选择标准 k 模型， 壁面函数 采用 S c a l a b l e 壁面函数模型 ， 对流项离散选用高精度格式。 表 1 3个计算域中网格的节点分布 其中 ， ， 、 ．， 、 分别代表 网格拓扑结构 中轴 向、 周向和径 向。 分别对具有图2 、 图 3两种不同结构扩压器的排汽缸各 选取 4个不同的进 口条件， 进口旋流角分别为 0 、 1 5 。 、 3 0 。 和 4 5 。 。进口边界条件给定质量流量， 总温和来流方向， 壁面为 绝热壁面； 出口边界条件给定均匀静压， 壁面为光滑绝热壁 面边界条件。当平均残差在 1 O 以下 ， 最大残差在 1 OI 4 以 下， 这时进出口流量相差不超过1 ％， 可以认为计算收敛。 2 计算结果与分析 衡量排汽缸气动性能的参数有平均总压损失系数， 平均 静压恢复系数 ， 压力系数等参数。由于排汽缸联结了冷凝器 喉部 ， 排汽缸 出口处即冷凝器喉部处 的速度分布对冷凝器 的 换热效率有很大的影响， 所以用出口速度不均匀系数来衡量 排汽缸出 口速度 分布 。 平均总压损失系数定义为 c 盘 1 PO l P2 平均静压恢复系数定义为 c 婴 2 ‘Po l。 。P2 压力系数定义为 C 3o ’ Po , 。 P2 出口不均匀系数定义为 L 4 g 2 k a v e 式中， 。 为进出口平均总压 ， 、 为进出口平均静压； p 为任一点处的压力； 为排汽缸出口处动能 ， 为在进 口 流量下， 假设排汽缸出口截面为均匀流场时的动能 。 2 ． 1 总体性能比较 从表2 、 表3可以看出 在不同的进口旋流角下， 扩压器 中平均静压恢复系数和平均总压损失系数变化比较大， 而蜗 壳中二者变化不大， 说明扩压器的性能是影响排汽缸性能的 主要因素。随着旋流角增大 ， 扩压器 和排 汽缸的平均 总压损 失系数有了不同程度的降低， 平均静压恢复系数有了一定程 度的升高， 这和文献 中的强旋条件下总压损失系数最小， 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5期 程云生等 汽轮机低压排汽缸气动性能的数值研究 3 6 1 弱旋次之， 直流进口条件下的总压损失系数最大的结论相符 合 。 表 2 不 同来流下带有对称扩压器 排汽 缸性能系数比较 表 3不 同来流 下带有非对 称扩压器排汽缸性能系数 比较 对比表 2和表 3 ， 在相同的进口条件下， 非对称扩压器比 对称扩压器静压恢复系数明显提高， 总压损失系数也有 了一 定程度的降低， 使带有这两种不同结构扩压器的排汽缸性能 也有了不同程度的提高， 表明本文提出的非对称扩压器有利 于提高排汽缸气动性能。 2 ． 2 扩压器 中压力 系数 比较 扩压器是排汽缸中的一个重要部件 ， 在引导气流从轴向 转向径向的同时对气流扩压， 图4一图 7为不同旋流工况下 l ， 一 z截面上导流环壁面压力系数随导流环无量纲长度变化 的曲线图， 从图 4 n ～ 7 o 和4 6 ～ 7 b 中可以看出随着 入 口旋 流角的增 大 ， 扩压器导流环壁 面的压力 系数也随之增 大， 说明了入口条件对排汽缸气动性能影响很大。这主要是 因为随着旋 流角的增大 ， 周 向速 度也 随之增 大 ， 周 向气流所 产生的离心力也随之增大， 气流由于离心力的作用被压向壁 面， 加强了与壁面边界层的掺混， 延迟了壁面边界层的分离， 减小了压力损失。在同样的进 口条件下具有非对称扩压器 的排汽缸导流环壁面压力系数均高于具有对称导流环的排 汽缸 ， 说 明非对称扩 压器 的扩压能力高 于对称扩 压器。这主 要是 因为非对称扩压器相对于对称扩 压器体积有 所增 大 ， 更 有利于气流在其 中减速扩压 。 垛 出 厦 到 o o ． 25 o ． 50 o． 75 1 ． oo 上子午面导流环无量 纲长度 O 。 旋流角时0 0 。 截面 导流环壁面压力系数 ． o ． 1 ． 0 ． 3 一 o ． 5 一o ． 7 - o．9 琵 一1 ． 9 ．2． 1 导流环无量纲长度 0 。 旋流角时 8 1 8 0 。 截面 导流环壁 面压力系数 图 4 2 ． 3 排汽缸出口处流场比较 从 图 8和 图 9可 以看 出具 有对称 扩压 器和非 对 称扩 压 器的排汽缸出口平面上速度不均匀系数的分布， 由于出口通 道涡的存在， 在涡心位置处是低压低速区， 所以速度不均匀 爨； R 出 旧 籁 1稻 旧 蟊； 出 旧 制 0 0 ． 2 5 o ．5 0 0 ． 7 5 1 ． O O 上子午 面导流环 无量纲 长度 1 5 。 旋流角时 8 0 。 截面 导流环壁面压力系数 O ． 2 o． o 弱 国 一 1 ． 2 益l1 1 ． 4 1 ． 6 ．1 ． 8 图 5 上子午面导流环无量纲长度 3 o 旋流角时 8 -- o 。 截面 导流环壁面压力系数 3 图 6 o o ． 25 o． 5 0 o． 75 1 ． 00 上子午面导流环无量纲长度 口 4 5 。 旋流角 时 0 ； 0 截面 导流环壁面压力系数 0 0 ．2 5 0 ． 5 0 0 ．7 5 1 ．O 0 导流环无量纲长度 6 l 5 。 旋流角时 0 1 8 0 。 截面 导流环壁面压力系数 导流环无量纲长度 3 O ’ 旋流角时 0 1 8 0 哦 面 导流环壁 面压力 系数 导流环无量纲长度 4 5 。 旋流角时 0 1 8 0 。 截面 导流 环壁 面压力系数 图 7 系数最小 ， 远离通道涡涡心速度不均匀系数逐渐增大。随着 进 口旋流角的增大 ， 出口速度不 均匀系数呈现 明显的上下不 对称分 布。在 出 口上半 平面 涡心处 的不 均匀 系数 随着旋 流 角增大逐渐减小， 而下半平面涡心处不均匀系数随旋流角增 大逐渐增大， 这样就使得排汽缸出口上半平面速度分布更加 均匀 ， 而下半平面速度分布更不均匀。比较图8和图9 ， 在相 同的进 口旋流角下 ， 具有非对称扩压器的排汽缸出口速度分 布总体要比具有对称扩压器的排汽缸出口的速度分布均匀， 更有利于减小对冷凝器换热 效率的影响。 3 结论 1 本文提出了一种新型非对称结构的扩压器 ， 并在不 同进口条件下对具有对称和非对称扩压器的排汽缸分别进 行了数值模拟， 结果表明进口条件对排汽缸气动性能影响巨 大 ， 随着进 口旋 流角 的增大 ， 排 汽缸 的平均静 压恢 复系数 逐 渐增大， 而平均总压损失系数随之减小。 2 在同样的进 口条件下 ， 带有非对称扩压器的排汽缸 扩压能力总是优于带有对称扩压器的排汽缸， 而且出口速度 的不均匀系数也总是小于带有对称导流环的排汽缸。因此 本文提出的非对称扩压器对于排汽缸的设计具有一定的实 际意义。 3 由于非对称结构导流环的设计只是把扩压器型线延 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 6 2 汽轮机技术 第 5 2卷 曲0 。 旋流角时带有对称 扩压器排汽缸 出口不均匀系数 l 5 。 旋流角时带有对称 扩压器排汽 缸出口不均匀系数 c 3 O 。 旋流角时带有对称 西4 5 。 旋流角时带有对称 扩压器排汽缸出 口不均匀系数扩 压器排汽缸 出口不均匀系数 图 8 长 了 2 0 ％ ， 延长的长度并 不是最优 的， 为下 一步对排汽 缸中 扩压器的优 化设计提供 了一定的参考 。 参 考 文 献 A． E． Za r y a n k i n， B．P ．S imo n v o， A．N．P a r a mo n o v ． Ad v a n c e me n t s i n t h e A e r o d y n a m i c s o f E x h a u s t Ho o d s o f T u r b i n e s『 J ] ．T h e r m a l E n g i n e e ri n g ， 1 9 9 8 ， 4 5 1 2 3 2 7 ． 霍文举．田口方法优化设计透平排汽缸 的应用 [ J ] ．汽轮机技 术 ， 1 9 9 3 ， 3 5 1 4 8 5 5 ． N． V． Ma h ala k s h mi ， G． Kr i t h i g a， S ． S a n d h y a ． E x p e r i me n t a l I n v e s t i - g a t i o n o f F l o w Th r o u g h C o n i c al Di fl u S e lS W i t h a n d W i t h o u t W a k e rr y p e V e l o c i t y D i s t o r t i o n a t I n l e t[ J ] ．E x p e ri m e n t a l T h e rma l a n d F l u i d S c i e n c e ， 2 o o 7， 3 2 1 1 3 31 5 7 ． G． H． Ga n． S ． B． Ri fi a t ． Me a s u r e me n t a n d C o mp u t a t i o n al F l u i d D y n a mi c s P r e d i c t i o n o f D if f u s e r P r e s s u r el o s s C o e f f i c ie n t[ J ] ．A p 一 [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] 0 。 旋流角时带有非对称 扩压器排汽缸出 口不均 匀系数 c 】 3 0 。 旋流角时带有非对称 扩压器排汽缸出口不均匀系数 l 5 。 旋流角时带有非对称 扩压 器排汽缸 出口不均匀系数 1 ， ， ．1 0． 6 。 西4 5 。 旋流角时带有非对称 扩压器排汽缸 出口不均匀系数 图 9 p l i e d E n e r g y ， t 9 9 6 ， 5 4 2 1 8 11 9 5 ． R． H． T i n d e l l ， T． M．Al s t o n， C． A． S a r r o ． Co mp u t a t i o n al F l u i d D y n a mi c s An a l y s i s o f a S t e a m P o we r P l a n t L o w P r e s s u r e T u r b i n e D o w n s t r e a m E x h a u s t Ho o d [ J ] ．J o u r n al o f E n gin e e ri n g f o r G a s T u r - b i n e s a n d P o we r ， 1 9 9 6， l l 821 42 2 4． J J ． L i u ， Y． Q ． C u i ， H． D． J i a n g ．I n v e s t i g a t i o n of F l o w i n a S t e a m T u r b i n e Ex h a u s t Ho o d Wi t h ／ W i t h o u t Tu r b i n e E x i t C o n d i t i o n s S i m． u l a t e d[ J ] ．J o u rna l of E n gi n e e ri n g f o r G a s T u r b i n e s a n d P o w e r ， 2 0 0 3， 1 2 5 2 9 22 9 9 ． 陈洪溪 ， 薛沐瑞．大型空冷汽轮机低压排汽缸几 何尺寸对气动 性能的影响 [ J ] ．动力工程 ， 2 0 0 3 ， 2 3 6 2 7 4 0-2 7 4 3 ． 王平子．汽轮机排汽 缸实物试验研究 的方法及某些综 合结果 [ J ] ．东方汽轮机 ， 2 0 0 2 ， 2 l 一6 ． 张荻， 李思琦， 杜占波． 大功率汽轮机低压排汽缸的数值试验 [ J ] ．汽轮机技术 ， 1 9 9 8 ， 4 0 2 9 81 0 3 ． 上接第3 5 8页 [ 5 ] 赵士杭 ， 柯玄龄． 燃用 中低热值煤气 时燃 气轮机的压气机 与透 平的重新匹配 [ J ] ． 热能动力工程 ， 1 9 9 7， 1 2 2 1 1 3一l l 6 ． [ 6 ] 白慧峰， 邓世敏， 王铭忠， 等． 烧低热值煤气时燃气轮机特性计 算与分析[ J ] ． 热力发电， 2 0 0 3 ， 3 2 1 1 5 8 6 4 ． [ 7 ] Z h a n g X u e l e i ， Wang S o n g l i n g ， C h e n H a i p i n g ．I n f l u e n c e of I G V a n d Re l a t i v e Hu mi d i t y o f Air o n S a f e Op e r a t i o n o f Ax i a l F l o w C o mp r e s 一 [ 8 ] [ 9] s o r[ C ] ．P r o g r e s s i n S a f e t y S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ． 2 0 0 5 ， 2 9 7 3 o o ． 齐复东 ， 贾树本 ， 马义伟．电站凝 汽设备 和冷却系统 [ M] ．北 京 水利水电出版社 ， 1 9 9 0 ． 张学镭 ， 王松岭 ， 陈海平 ， 等． 燃烧 中低热 值燃料时燃气 轮机系 统 的应对方案及其性 能分析 [ J ] ． 中国电机工程学报 ， 2 0 0 6， 2 6 1 9 l l Ol 1 6 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m