600MW空冷汽輪機低壓排汽缸氣動優化設計

姚武

（哈爾濱汽輪機廠有限責任公司，哈爾濱 150046）

1 引言

隨著單機功率的大型化，低壓缸的功率已經約占整機功率的35%左右。低壓排汽缸將做過功的蒸汽（也稱乏汽）從低壓缸末級動葉導入到冷凝器中，同時盡可能回收乏汽的動能。蒸汽在排汽缸中的流動很復雜，折轉時將產生強烈的周向和徑向壓力梯度，形成大尺度漩渦，這樣會產生一定的能量損失。如果該能量損失大，壓力恢復系數將降低，則末級動葉的出口背壓將增大，機組的焓降將降低進而做功能力下降。研究表明,排汽缸損失系數降低0.1，可使汽輪機的整機效率提高大約0.15%。由此看出，排汽缸的氣動性能的好壞對整個機組的循環效率有一定的影響。所以，研究排汽缸的氣動性能對改善機組的經濟性具有重要的現實意義。

2 空冷600MW 排汽缸結構簡述

600MW 空冷汽輪機低壓排汽缸整體尺寸為6.176m（高H）×6.60m（寬B）×1.463m（軸向長L）（不計壁厚）?？紤]到內缸與外缸間蒸汽通道，實際汽輪機組的低壓排氣部分比排汽缸本身的軸向尺寸要大，此時L=2.76m。計算中模型尺寸是按后者確定的（以下統稱為排汽缸）。排汽缸內有導流環且導流環背面有多個筋板，缸內還有多個撐桿。為防止計算發散，需將出口延長一段。具體結構如圖1所示。

圖1 排汽缸模型

3 空冷600MW 低壓排汽缸氣動優化

實際結構中，排汽缸導流環上有加強筋板，但初次優化時忽略了加強筋板，比較相對優化效果，最后加上加強筋板，計算實際優化效果，這樣既可快速優化，又可以考察優化的真實效果。

根據文獻［1］，影響擴壓器性能的結構參數主要有擴壓管出口直徑R3（見圖2），出口寬度b，擴壓管出口外沿距排汽缸頂壁的距離S，導流錐斜切角α1，導流環起始擴散角α2，進出口面積比及子午面流道形狀，軸向距離L2。由于末級葉片和轉子長度固定，L2、R2、R1大小固定，所以結構優化時通過改變上述其它參數來實現。

圖2 排汽缸擴壓通道xy 平面（z=0）示意圖

3.1 初次優化

通過改變圖2 中的部分參數，優化了多個方案，最終優化方案如圖3和表1所示。優化過程中，保證低壓缸外形尺寸和入口幾何尺寸不變，只是改變導流環部分的結構尺寸，這樣可以保證其他部分不變，如末級葉片的高度、轉子長度、內外缸結構等。優化主要集中在4個方面：（1）減小擴壓器的擴壓比，即進出口面積比，由1.90 減小到1.86；（2）增大導流環弧段半徑，放緩汽流折轉速度；（3）減緩導流環起始擴散角，由28°減小到25°，更好適應動葉出口速度方向；（4）減小導流環的徑向尺寸，擴壓器出口外沿距排汽缸頂壁的距離S 由1004mm 減小到944.7mm。

圖3 排汽缸優化前后結構對比

表1 優化結構主要參數

描述排汽缸性能的主要參數有靜壓恢復系數、總壓損失系數。前者表征排汽缸對余速動能的回收能力，后者表示排汽缸自身的損失情況，具體定義如下：

表2是優化前后總參數對比，圖4～圖6是流場對比。分析表2 中數據，優化后各項參數均有大幅度改善，尤其排汽缸出口靜壓恢復系數更是提高137.7%，排汽缸出口總壓損失系數降低了30.6%。分析流線分布情況，優化前導流錐出口有較大的分離，將導致較大的流動損失，漩渦的存在使得局部速度增大，靜壓下降，靜壓恢復系數也下降。優化后基本消除了導流錐出口頂部的漩渦，而下部由于存在頂部向下90°的折轉流動，漩渦沒有完全消除，但是也有所減弱。由于導流環和導流錐組成的通道是決定靜壓恢復和總壓損失的主要部分，所以優化后整體性能大幅提高。

表2 優化前后總參數對比

圖4 z=0 時xy 平面的流線圖

圖5 與y=0 平面呈60°的平面上的流線圖

圖6 y=0 時xz 平面的流線圖

3.2 實際性能改善

表3是考慮加強筋板后的實際性能變化，由于加強筋板會使整個排汽缸的總壓損失增大，所以優化后提高的幅度沒有上面的大，但是對于實際排汽缸來講，靜壓恢復系數提高9.2%、總壓損失下降5.3%也是相當大的改進。

表3 考慮加強筋板實際優化效果對比

4 結論

（1）原導流環結構的氣動性能不理想。在設計工況下導流環出口處發生邊界層分離現象因而有漩渦產生，導致擴壓器出口和排汽缸出口靜壓恢復系數低，總壓損失系數大。

（2）將導流環起始擴散角由原來的28°減小到25°，擴壓管出口寬度b 由原850mm 減小到819.6mm，擴壓管出口外沿距排汽缸頂壁的距離由原來的1004mm 減小到971.6mm 時，導流環出口處流動無分離現象發生，排汽缸氣動性能優良。

（3）優化后，排汽缸靜壓恢復系數提高9.2%，總壓損失下降5.3%。

［1］陳洪溪.大型空冷汽輪機低壓排汽缸幾何尺寸對氣動性能的影響［J］.動力工程，2003，23（6）：2740-2743.