某凝汽器喉部及連通管阻力分析

高良軍， 姜曉霞

（1.哈電股份中央研究院，哈爾濱150028；2.哈爾濱汽輪機廠輔機工程有限公司，哈爾濱150090）

0 引言

凝汽器[1]喉部及連通管結構是凝汽器非常重要的一個結構。承擔著汽機[2]排汽進入凝汽器的連通作用。排汽通過喉部進入凝汽器殼體，通過管內的冷卻水將汽輪機排汽冷卻到設計溫度。喉部及聯通管結構合理可以對進入到凝汽器殼體的冷卻水起到很好的導流作用，保證殼體壓力降，提升凝汽器的運行性能。目前針對越來越嚴峻的市場形勢，設備性能的優化成為提升設備競爭力的主要手段。隨著機組容量的不斷增大，凝汽器殼體壓降的控制要求也越來越高。更大流量、更大容積的殼體，保證喉部及連通管流動效率成了設計關鍵問題。本文針對傳統凝汽器喉部及連通管進行結構優化，旨在提升設備性能，增強市場競爭力。

1 方案概述

某項目根據業主要求需要針對凝汽器喉部進行結構改造。為了評估結構改造的合理性以及結構阻力的合理性，針對某項目凝汽器喉部，設計人員優化了3種結構外形圖方案。方案二喉部尺寸在換熱管的長度方向縮短1102 mm，旁路接管深入長度不同，方案一3540 mm，方案二3590 mm，其余尺寸同方案一，方案三是在方案二的基礎上僅保留一個旁路管，旁路管深入長度為6655 mm。其中連通管一和連通管二的內徑同為2600 mm，連通管彎管處結構相同，計算區域為后水室連通管的法蘭接口之間區域。

針對這3種凝汽器喉部分別進行模擬分析，計算不同結構喉部結構汽阻。

圖1 凝汽器喉部及連通管的外形圖

同時模擬計算凝汽器后水室連通管水側阻力，為了方便計算阻力損失，本報告將后水室的兩個連通管分別建模，具體外形圖見圖2。

分析具體過程為：建模——使用Unigraphics NX[3]建立喉部以及連通管計算的三維模型，針對3種不同喉部結構分別建立三維模型。網格繪制——將三維模型導入ANSYS Icem中繪制計算網格[4]，采用六面體非結構化網格。計算——網格繪制完成后，使用CFX進行計算，計算收斂后保存計算結果。結果分析——采用CFX進行結果處理分析[5]。分析3種喉部的結構及連通管合理性以及工藝加工合理性[6]。為優化喉部結構，提升凝汽器運行性能提供技術支撐。

2 結構建模

根據凝汽器喉部外形結構，采用全三維模擬計算，進行流動性能分析。具體過程為：使用Unigraphics NX建立水室計算的三維模型，導入ANSYS Icem中繪制計算網格，然后使用CFX進行計算分析。建模時由于凝汽器喉部內部結構簡單，沒有需要特別細化的網格部位，因此可以實現全尺寸建模計算。將3種結構的喉部以及連通管[7]分別進行全尺寸建模。

圖2 凝汽器喉部及連通管結構模型

3 計算模型

采用ICEM對兩種水室結構進行網格劃分，網格采用六面體非結構化網格，網格質量在0.5以上。喉部模型相對內部結構較為簡單，因此網格密度不用很大就可以達到較高的網格質量[8]。在UG建立模型時，由于入口口徑較大，考慮到計算中可能產生的入口回流影響，增加喉部入口流道長度，保證計算中入口的回流比例，保證計算的收斂性[9]。

模型整體較為簡單，只需要細化低加殼體處的網格即可。因此總體建模過程較簡化。粗網格劃分后進行了網格無關性初步驗證計算。取得網格無關性計算結構后，采取少量網格的模型進行最終的計算。

模擬計算時采用κ－ε模型，考慮重力的影響，流體材料為蒸汽。在進行喉部模擬時，每一組進口給定總壓條件，總壓為0.004 22 MPa，焓值為2328.8 kJ/kg，出口邊界條件為排汽流量出口，流量G=758.315 t/h。假定為外壁絕熱，對3種喉部網格進行了多次試算，保證了收斂特性[10]。

采用ICEM對連通管結構進行網格劃分，模擬采用κε模型，流體材料為循環水，在進行模擬時，每一組進口給定總壓條件，總壓為0.3 MPa，出口邊界條件為流量出口，流量G=45 250 t/h。

4 結果分析

1）3種喉部結構結果分析。考慮重力加速度以及考慮黏性損失的情況下，計算殼體流場分布。詳見圖3，方案一與方案二流場分布一致。蒸汽從入口往下流動[11]，低加和旁路管對流體造成擾流現象，旁路管的下方存在漩渦，高速區聚集在低加與旁路管處。這是由于流動節流[12]造成的速度增大影響。方案三由于旁路管減少，節流效果不明顯，因此高速區域上移，在入口位置處。從分析結果來看，方案三的流場由于擾流的因素降低，流場相對更加均勻。表1給出凝汽器喉部3種方案的汽阻[13]計算結果。

從汽阻計算結果可以看出，方案二修正了喉部的殼體傾角，起到了良好的汽體導流作用，減少了由于大傾角導致的傾角處的渦流，因此流動得到改善，壓損降低。方案二從壓損角度出發由于方案一結構，而且方案二的設計縮小了結構尺寸，提升了機構經濟性。方案三在方案二的結構基礎上減少了1個旁路管，擾流因素減少，所以是3種結構中壓損最小的一種結構。旁路管的設計要視具體項目而定，本項目可以實現1個旁路管的設計，因此可以采用方案三的結構形式。從模擬分析來看，方案三是最優的適應本項目的喉部設計方案。

圖3 凝汽器喉部流場分布圖

表1 三種方案汽阻計算結果對比 Pa

2）連通管結果分析。考慮重力加速度以及考慮黏性損失的情況下，計算連通管內流場分布情況，為防止計算過程中進出口處有回流現象，結構計算模型加長了進口與出口的長度。如圖4所見，連通管內速度最大值出現在彎管處，其中連通管2內的流線分布更為均勻，連通管1由于長度方向較短，彎管后流線存漩渦。

為了更好地比較連通管內的阻力，計算過程中給出兩種方案，考慮重力的影響及不考慮重力的影響，通過表2的對比結果可知，重力的存在與否對阻力計算結果影響不大。

從水阻以及流場分析可以得出，連通管內壓損要高，主要是由于水室流量較大，導致流通管內流速不能過小，導致壓損較大[14]。

圖4 連通管內的流線分布

5 結論

表2 連通管水側阻力結果對比 Pa

通過CFX流場計算得到了3種喉部結構模型的流場分布及壓力損失情況，觀察喉部內部流場分布的情況，方案一由于殼體傾角較大[15]，導致傾角處有渦流，造成壓損增大。而方案二模型改善了殼體傾角，可以較好地吻合流體的流向，流線分布均勻，壓力損失相對變小；而方案三在方案二的基礎上減少了1個旁路管，導致擾流因素減少，流場更加均勻，是3種方案中壓力損失最小的一種方案。本項目凝汽器喉部結構可以采取方案三的結構。而對連通管的模擬可以得出，連通管長度方向較短的，流體的延伸性不好，彎管流線存在旋渦，而長連通管由于流道增長，流線均勻性好，但是流通路徑變長，壓損變大。

[1]中國動力工程學會.火力發電設備技術手冊[M].北京:機械工業出版社,2002.

[2]史月濤,丁興武,蓋永光.汽輪機設備與運行[M].北京:中國電力出版社,2008.

[3]田衛軍,李郁.UG NX曲面建模實例教程[M].西安:西北工業大學出版社,2010.

[4]紀兵兵,陳金瓶.ANSYS ICEMCFD網格劃分技術實例詳解[M].北京:中國水利水電出版社,2012.

[5]謝龍漢,趙新宇,張炯明.ANSYS CFX流體分析及仿真[M].北京:電子工業出版社,2012.

[6]張磊磊.凝汽器喉部出口流場分布的試驗研究[J].電站輔機,2016,37(2):13-15.

[7]胡昌斌,李彥,王小艷.大型汽輪機凝汽器后水室連通管設計優化[J].湖南電力,2014(5):15-19.

[8]齊學義,邵元忠,李鳳成,等.ANSYS ICEM網格劃分中有洞問題的分析[J].蘭州理工大學學報,2011,37(1):41-44.

[9]李清剛,郭力文,趙慧敏,等.交叉輸水管道流場的數值模擬[J].江淮水利科技,2007(6):14-16.

[10]康順,石磊,戴麗萍,等.CFD模擬的誤差分析及網格收斂性研究[J].工程熱物理學報,2010,V31(12):2009-2013.

[11]宋震,胥建群,孫利鵬,等.汽輪機排汽通道耦合流動數值模擬[J].東南大學學報(自然科學版),2015,45(4):701-706.

[12]楊玉順.工程熱力學[M].北京:機械工業出版社,2009.

[13]鄧進龍,江平.汽阻對凝汽器的影響和減少措施[J].汽輪機技術,2000,42(1):44-48.

[14]周威,張潤來.并聯管組模型流動壓損分析(一)[J].黑龍江科技信息,2009(15):35-35.

[15]崔國民,關欣,李美玲,等.凝汽器喉部擴散角對其性能的影響研究[J].中國電動機工程學報,2003,23(5):181-183.