張旭陽(yáng)，李一興，張?chǎng)H羽，李 勇

（1. 上海船舶設(shè)備研究所，上海 200031；2. 渤海造船廠集團(tuán)有限公司，遼寧葫蘆島 125004）

0 引言

部分汽輪機(jī)由于使用空間狹窄等因素，在設(shè)計(jì)過(guò)程面臨著嚴(yán)格的尺寸與外形限制。這類汽輪機(jī)在受限的外形結(jié)構(gòu)下，盡可能地提升機(jī)組效率，以提高汽輪機(jī)使用過(guò)程中的經(jīng)濟(jì)性。隨著汽輪機(jī)效率要求的逐漸提升，傳統(tǒng)通過(guò)熱力設(shè)計(jì)提升效率的手段已逐漸無(wú)法滿足設(shè)計(jì)需求。因此，通過(guò)對(duì)汽輪機(jī)進(jìn)汽腔的結(jié)構(gòu)改造來(lái)減少汽輪機(jī)壓力損失已經(jīng)成為了進(jìn)一步提高效率的重要措施。

切向進(jìn)汽結(jié)構(gòu)的采用能有效提升汽輪機(jī)進(jìn)汽腔的流動(dòng)效率。切向進(jìn)汽結(jié)構(gòu)是在傳統(tǒng)進(jìn)汽結(jié)構(gòu)上發(fā)展出來(lái)的一種進(jìn)汽結(jié)構(gòu)。國(guó)內(nèi)外常規(guī)機(jī)組中反向切向進(jìn)汽結(jié)構(gòu)已經(jīng)得到了一定的研究與應(yīng)用。鐘主海等[1]對(duì)汽輪機(jī)高壓缸蝸殼進(jìn)行優(yōu)化研究，結(jié)果顯示：切向進(jìn)汽管相比傳統(tǒng)高壓進(jìn)汽室具有更優(yōu)異的氣動(dòng)性能。喻剛等[2]對(duì)全周進(jìn)汽汽輪機(jī)的切向進(jìn)汽結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究分析，結(jié)果表明：切向進(jìn)汽結(jié)構(gòu)能夠使得蝸殼內(nèi)流場(chǎng)更為均勻，進(jìn)汽腔內(nèi)汽流激振得到有效改善。郭曉節(jié)等[3]則對(duì)中壓缸汽腔內(nèi)的流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值研究，并對(duì)對(duì)稱雙流進(jìn)汽腔結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化與流動(dòng)分析。肖蕾等[4]則對(duì)低壓進(jìn)汽缸內(nèi)壓損變大的問(wèn)題進(jìn)行進(jìn)汽腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化。王建[5]等則對(duì)傳統(tǒng)的單口進(jìn)汽與切向進(jìn)汽結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比，并對(duì)進(jìn)汽腔內(nèi)的具體流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行分析。

在特種汽輪機(jī)中，由于場(chǎng)地尺寸限制，無(wú)法采用汽輪機(jī)常用的反向切向進(jìn)汽管結(jié)構(gòu)。因此，本文提出了一種同向切向進(jìn)汽結(jié)構(gòu)，通過(guò)數(shù)值方法對(duì)各類型進(jìn)汽結(jié)構(gòu)在不同工況下的流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行分析，并對(duì)各類型進(jìn)汽結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣進(jìn)行判斷。

1 模型與網(wǎng)格

傳統(tǒng)的汽輪機(jī)進(jìn)汽方式主要為4管形式及2管形式。4管布置中，進(jìn)汽腔上下分別有4根管道對(duì)稱布置。而2管布置則僅使用單側(cè)的2根管道進(jìn)行進(jìn)汽。2種進(jìn)汽方式如圖1所示。由于汽輪機(jī)整機(jī)的進(jìn)汽管道布置位置限制以及機(jī)組整體設(shè)計(jì)等原因，4管布置在特種汽輪機(jī)中使用較少，而多采用2管布置的形式。

根據(jù)傳統(tǒng)進(jìn)汽腔設(shè)計(jì)的試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果，傳統(tǒng)2管進(jìn)汽腔的總壓損失約為0.4%，內(nèi)部流場(chǎng)較為紊亂，出入口總壓損失較大，傳統(tǒng)進(jìn)汽腔的結(jié)構(gòu)優(yōu)化仍有較大提升空間。

圖1 傳統(tǒng)進(jìn)汽管路模型示意圖

圖2中為反向切向進(jìn)汽結(jié)構(gòu)示意圖。采用2管進(jìn)汽結(jié)構(gòu)，2根管內(nèi)的汽流分別從上下2個(gè)方向進(jìn)入進(jìn)汽腔。該結(jié)構(gòu)在國(guó)內(nèi)外電廠機(jī)輪機(jī)中已經(jīng)有了一定的運(yùn)用，但由于場(chǎng)地限制等因素，無(wú)法直接用于特種汽輪機(jī)中。

圖2 反向切向進(jìn)汽腔模型

圖3中給出了本文所設(shè)計(jì)的同向切向進(jìn)汽腔的模型示意圖。進(jìn)汽腔仍采用2管進(jìn)汽腔，2根進(jìn)汽管位置相對(duì)于傳統(tǒng)進(jìn)汽管路向兩側(cè)移動(dòng)。進(jìn)汽管道的外側(cè)與進(jìn)汽腔室之間為相切關(guān)系；進(jìn)汽腔入口為圓形入口，出口為環(huán)形出口。

圖3 同向切向進(jìn)汽腔模型

圖4中給出了進(jìn)汽腔模型的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。如圖4所示，進(jìn)汽腔模型由腔體及入口管組成。腔體網(wǎng)格為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，入口管網(wǎng)格為非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。腔體及入口管壁面附近網(wǎng)格均加密，第1層網(wǎng)格厚度為0.01 mm，在模擬工況下滿足y+＜1。計(jì)算中保證各方程殘差小于10-5；在500次迭代中，出口質(zhì)量流量變化率小于0.1%，計(jì)算結(jié)果收斂。

圖4 網(wǎng)格模型

邊界條件如表1所示。入口設(shè)為質(zhì)量流量入口，共設(shè)有大流量及小流量，分別代表全開(kāi)工況以及單管開(kāi)啟工況。出口邊界條件為靜壓出口，壓力為2 MPa，溫度為202 ℃。壁面設(shè)置為絕熱光滑壁面。

為了確保達(dá)到網(wǎng)格無(wú)關(guān)性要求，本文采用5.2×104～2.5×105的5套逐漸加密網(wǎng)格來(lái)計(jì)算原始模型在雙管運(yùn)行工況下的出口質(zhì)量流量，計(jì)算結(jié)果如表2和圖5所示。

表1 邊界條件

表2 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性研究

圖5 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性研究

網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到1.6×105后，各網(wǎng)格計(jì)算結(jié)果基本隨網(wǎng)格數(shù)量的變化而變化，滿足網(wǎng)格無(wú)關(guān)性要求。從考慮計(jì)算精度和計(jì)算資源的因素出發(fā)，本文采用網(wǎng)格數(shù)量為1.6×105。

2 傳統(tǒng)進(jìn)汽腔與切向進(jìn)汽

圖6為雙管開(kāi)啟情況下的傳統(tǒng)進(jìn)汽結(jié)構(gòu)與切向進(jìn)汽結(jié)構(gòu)的靜壓分布圖及流線圖。圖6中，云圖內(nèi)圈采用環(huán)形箭頭標(biāo)記了進(jìn)汽腔內(nèi)流動(dòng)沿進(jìn)汽腔周向的運(yùn)動(dòng)方向。

由圖6能夠觀察到在雙管開(kāi)啟的情況下，傳統(tǒng)進(jìn)汽結(jié)果在進(jìn)汽管出口位置進(jìn)汽腔壁面上會(huì)出現(xiàn)2個(gè)高壓區(qū)（x/X＝0.2，0.8；y/Y＝0.8。下文中，圖6～圖9、圖12、圖13中的各位置將直接標(biāo)注為（x/X，y/Y）格式）。該位置的流線出現(xiàn)了1個(gè)滯止點(diǎn)，該高壓前緣的兩側(cè)，流體向不同方向流動(dòng)。

在進(jìn)汽腔下端（0.5, 0）位置也產(chǎn)生了1個(gè)壓力高值區(qū)，在該位置進(jìn)汽腔兩側(cè)的流體相遇，并且共同向徑向方向流動(dòng)。

采用切向進(jìn)汽方式后，壓力云圖的分布基本與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)一致，沒(méi)有明顯改善。

本文采用總壓損失系數(shù)對(duì)模型壓力損失進(jìn)行表征，總壓力損失系數(shù)計(jì)算為

式中：P入口為入口的平均總壓數(shù)值；P出口則為出口的平均總壓。

在雙管開(kāi)啟工況下，傳統(tǒng)模型與切向進(jìn)汽模型的總壓損失系數(shù)相差較小，分別為0.27%、0.25%，相差8.21%。在雙管開(kāi)啟工況下使用切向進(jìn)汽模型，總壓損失系數(shù)并無(wú)明顯下降。

圖6 雙管開(kāi)啟情況下的壓力云圖與流線圖

圖7展示了單管工況下的進(jìn)汽腔內(nèi)壓力云圖與流線分布。

由圖7能夠觀察到，單管工況下的傳統(tǒng)進(jìn)汽結(jié)構(gòu)與切向進(jìn)汽結(jié)構(gòu)的壓力分布云圖及流線圖展現(xiàn)出了較大的不同。圖7(a)中，傳統(tǒng)進(jìn)汽結(jié)構(gòu)的汽流從右側(cè)進(jìn)汽管進(jìn)入進(jìn)汽腔后向兩側(cè)流動(dòng)；其中，向左側(cè)流動(dòng)的汽流路程較短，向右側(cè)流動(dòng)的汽流流動(dòng)路程較長(zhǎng)，兩者于(0.4, 0.7)位置相遇并產(chǎn)生1個(gè)高壓區(qū)。圖7(b)中展示的切向進(jìn)汽結(jié)構(gòu)顯示汽流進(jìn)入進(jìn)汽腔后基本沿順時(shí)針?lè)较蜻M(jìn)行單向流動(dòng)。

在單管工況下，采用傳統(tǒng)進(jìn)汽機(jī)構(gòu)與切向進(jìn)汽結(jié)構(gòu)在總壓損失上也有較大的差異，兩者總壓損失系數(shù)分別為0.41%與0.18%，相差127.7%。在單管工況下采用切向進(jìn)汽結(jié)構(gòu)，總壓發(fā)生明顯的下降。

圖8與圖9為單管傳統(tǒng)進(jìn)汽結(jié)構(gòu)與切向進(jìn)汽結(jié)構(gòu)的湍流動(dòng)能云圖與流線圖。

從圖8中能夠觀察到采用了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在(0.2,0.7)、(0.4, 0.8)及(0.8, 0.6)位置均出現(xiàn)了湍動(dòng)能高值區(qū)。前2個(gè)高值區(qū)的出現(xiàn)是由入口汽流在該位置產(chǎn)生了較大的方向改變，導(dǎo)致該位置的流體壓力梯度產(chǎn)生較大的變化，從而引起流體湍流。(0.8,0.6)位置的湍動(dòng)能高值區(qū)內(nèi)能夠看見(jiàn)流線在該位置的方向發(fā)生明顯的彎折，該位置的湍動(dòng)能高區(qū)也是由于進(jìn)汽管內(nèi)流體沖刷在進(jìn)汽腔壁面上所產(chǎn)生的。

圖8 傳統(tǒng)進(jìn)汽腔進(jìn)汽位置的湍動(dòng)能云圖及流線圖

圖9 切向進(jìn)汽腔進(jìn)汽位置的湍動(dòng)能云圖及流線圖

而采用切向進(jìn)汽結(jié)構(gòu)后，上述湍動(dòng)能高區(qū)均得到了有效抑制，進(jìn)汽管與進(jìn)汽腔之間的流動(dòng)狀態(tài)得到了有效改善。

上述位置流動(dòng)的改善是總壓損失系數(shù)下降的最主要原因。

表3中給出了5個(gè)不同進(jìn)汽腔模型的相關(guān)參數(shù)。

表3 變進(jìn)汽腔距離的工況編號(hào)

5個(gè)進(jìn)汽腔模型均使用了上文所述的雙管布置，區(qū)別在于進(jìn)汽腔之間的距離不同。進(jìn)汽管之間的距離示意如圖3所示。其中模型5為上文所述的切向進(jìn)汽模型，模型1為上文所述的傳統(tǒng)模型，模型4至模型1進(jìn)汽管之間的距離逐漸縮小。

圖10展示了在單管開(kāi)啟的情況下，進(jìn)汽腔距離對(duì)于總壓損失的影響。從圖10中能夠觀察到隨著進(jìn)汽管之間的距離逐漸增大，模型出入孔的總壓損失逐漸減小。且總壓損失系數(shù)隨著距離的減小加速下降。在切向進(jìn)汽位置總壓損失系數(shù)達(dá)到最低點(diǎn)。

圖10 進(jìn)汽腔距離對(duì)于壓力損失系數(shù)的影響

綜上所述，切向進(jìn)汽的采用能夠有效改善進(jìn)汽腔內(nèi)的流動(dòng)狀況，減小總壓損失系數(shù)。

3 同向進(jìn)汽與反向進(jìn)汽

常規(guī)機(jī)組中常采用的切向進(jìn)汽結(jié)構(gòu)為反向切向進(jìn)汽結(jié)構(gòu)，如圖11(b)所示。本文研究的切向進(jìn)汽結(jié)構(gòu)為同向切向進(jìn)汽結(jié)構(gòu)。本章節(jié)將對(duì)于上述兩種切向進(jìn)汽結(jié)構(gòu)在兩管開(kāi)啟工況和單管開(kāi)啟工況下的流動(dòng)情況進(jìn)行對(duì)比分析。

圖11為雙管開(kāi)啟下的同向切向進(jìn)汽與反向切向進(jìn)汽靜壓云圖與流線圖。從圖11中能夠觀察到反向切向進(jìn)汽結(jié)構(gòu)的整體流場(chǎng)相交同向切向進(jìn)汽明顯更為光順。同向切向進(jìn)汽流體從進(jìn)汽管進(jìn)入進(jìn)汽腔后沿順時(shí)針流動(dòng)，進(jìn)汽腔內(nèi)無(wú)明顯的湍流結(jié)構(gòu)產(chǎn)生。

在雙管開(kāi)啟情況下采用反向切向進(jìn)汽能夠明顯改善進(jìn)汽腔內(nèi)總壓損失。2種結(jié)構(gòu)的總壓損失系數(shù)分別為0.25%及0.14%。采用切向進(jìn)汽使得總壓損失系數(shù)下降81.5%。

圖12為單管開(kāi)啟工況下的同向切向進(jìn)汽腔室及反向切向進(jìn)汽腔室之間的壓力云圖分布及流線圖。

由圖12可知，在單管開(kāi)啟工況下，同向切向進(jìn)汽與反向切向進(jìn)汽之間的流場(chǎng)均呈現(xiàn)為順時(shí)針流動(dòng)狀態(tài)，流場(chǎng)相似。經(jīng)測(cè)量，2種結(jié)構(gòu)的總壓損失系數(shù)分別為0.18%及0.17%，相差5.68%。在單管開(kāi)啟情況下采用反向切向進(jìn)汽能與同向切向進(jìn)汽差異較小。

圖11 雙管開(kāi)啟情況下的壓力云圖與流線圖

圖12 單管開(kāi)啟情況下的壓力云圖與流線圖

在特種汽輪機(jī)使用中，汽輪機(jī)常常工作于單管工況，雙管工作工況產(chǎn)生較少，且采用反向切向進(jìn)汽對(duì)于特種汽輪機(jī)而言整機(jī)設(shè)計(jì)難度較大。因此，本文分析的主體為同向切向進(jìn)汽結(jié)構(gòu)。

在單管開(kāi)啟情況下，同向切向進(jìn)汽結(jié)構(gòu)與反向切向進(jìn)汽結(jié)構(gòu)流動(dòng)結(jié)構(gòu)相近，總壓損失差異不大。在雙管開(kāi)啟情況下，反向切向進(jìn)汽結(jié)構(gòu)流動(dòng)狀態(tài)更優(yōu)。

4 進(jìn)汽腔數(shù)量對(duì)于流場(chǎng)的影響

圖13為3進(jìn)汽管與4進(jìn)汽管的進(jìn)汽腔總壓損失系數(shù)分布及流線圖。從圖13中能夠觀察到，3進(jìn)汽管與4進(jìn)汽管的總壓損失系數(shù)以及流線的分布情況。圖13中3進(jìn)汽管及4進(jìn)汽管的總流量與上文工況保持一致，因此各進(jìn)汽管入口速度略有下降。

由圖13能夠觀察到：3進(jìn)汽管與4進(jìn)汽管的進(jìn)汽腔內(nèi)部流場(chǎng)光順，壓力分布與進(jìn)口管位置相互對(duì)應(yīng)，流場(chǎng)內(nèi)均沒(méi)有湍流現(xiàn)象產(chǎn)生。

表4為進(jìn)汽腔數(shù)量變化的各個(gè)模型的編號(hào)。各個(gè)模型的總壓損失系數(shù)如圖14所示。從圖14中能夠觀察到，進(jìn)汽腔數(shù)量的增加使得總壓損失系數(shù)整體呈下降趨勢(shì)，但進(jìn)汽腔數(shù)量增加帶來(lái)的總壓損失下降數(shù)值隨著進(jìn)汽腔數(shù)量的增加逐漸減小。

因此，增加進(jìn)汽管數(shù)量對(duì)于進(jìn)汽腔內(nèi)部總壓損失系數(shù)的下降較為有利，但也將會(huì)給機(jī)組進(jìn)汽口的整體設(shè)計(jì)帶來(lái)更大的挑戰(zhàn)。

圖13 進(jìn)汽口是力量變化后的總壓云圖及流線圖

圖13 進(jìn)汽口是力量變化后的總壓云圖及流線圖（續(xù)）

表4 進(jìn)汽腔數(shù)量變化時(shí)候的工況編號(hào)

圖14 進(jìn)汽腔數(shù)量對(duì)于壓損的影響

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)進(jìn)汽結(jié)構(gòu)、切向進(jìn)汽結(jié)構(gòu)等多種進(jìn)汽腔室的數(shù)值模擬，對(duì)比分析各種進(jìn)汽腔的內(nèi)部流動(dòng)結(jié)構(gòu)與總壓損失系數(shù)數(shù)值，可以得出以下結(jié)論：

1）相比于傳統(tǒng)進(jìn)汽結(jié)構(gòu)，采用切向進(jìn)汽結(jié)構(gòu)在單管運(yùn)行時(shí)能夠有效改善進(jìn)汽腔內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)，使得進(jìn)汽腔內(nèi)的總壓損失系數(shù)產(chǎn)生較大的下降。

2）相比于同向切向進(jìn)汽結(jié)構(gòu)，采用反向進(jìn)汽結(jié)構(gòu)在雙管運(yùn)行時(shí)進(jìn)汽腔內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)更佳；而在單管運(yùn)行時(shí)，2種進(jìn)汽腔內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)較為接近。

3）增加進(jìn)汽管數(shù)量有利于改善進(jìn)汽管內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)，但改善效果隨進(jìn)汽腔數(shù)量的增加而減少。