蒸汽旁排減壓裝置中斜孔設(shè)計(jì)與性能分析

彭 杉

（海軍裝備部駐上海地區(qū)第三軍事代表室，上海 200031）

0 引言

旁路排放裝置是船用汽輪機(jī)組運(yùn)行及空載過程中不可缺少的裝置。在汽輪機(jī)處于低載荷工況的情況下，旁排裝置能夠用于吸收蒸汽發(fā)生裝置中多余的蒸汽，將其溫度與壓力降低后排入冷凝器。在空載工況下，旁排裝置則需要吸收蒸汽發(fā)生裝置產(chǎn)生了全部蒸汽，并且將其轉(zhuǎn)化為低壓低溫蒸汽后排入冷凝器。在旁排裝置中，起到減壓作用的裝置多采用斜孔板結(jié)構(gòu)。

節(jié)流孔板具有加工簡單，維修方便，價(jià)格低廉等特點(diǎn)。然而，采用節(jié)流孔板作為減壓裝置也具有整體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，尺寸過大的缺點(diǎn)。由于艙室面積狹窄，因此船用汽輪機(jī)的旁路排放裝置常需要集成于機(jī)組本體上，過大的尺寸會(huì)造成汽輪機(jī)局部尺寸的突出，進(jìn)而導(dǎo)致艙室分割及布置難度的增大。

張亮等[1]采用數(shù)值模擬的方法對(duì)多級(jí)節(jié)流孔板減壓裝置進(jìn)行過研究，研究結(jié)果表明多級(jí)孔板減壓裝置中第一級(jí)孔板的減壓能力對(duì)于整個(gè)裝置的影響最為明顯，第一級(jí)孔板的孔徑越小，孔板減壓能力越強(qiáng)。李科群等[2]則多級(jí)膨脹減溫裝置作為研究對(duì)象進(jìn)行研究，研究者對(duì)該類型減溫裝置的流量、節(jié)流壓力比及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了分析。張卓澄[3]采用原理性試驗(yàn)研究的方式對(duì)孔板減壓裝置進(jìn)行研究，結(jié)果表明：氣流通過小孔時(shí)存在遠(yuǎn)比一般噴嘴臨界壓力低的第二臨界壓力比，并且孔板厚度對(duì)于壓力比的影響較為明顯。杜曉東等[4]對(duì)斜角型、半圓角型、前緣倒角型及縮放型油路節(jié)流孔板結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，研究結(jié)果表明在不改變孔徑的前提下采用上述異型孔將會(huì)使得減壓能力有一定的下降。王榮[5]對(duì)節(jié)流孔板的孔厚度、孔間距及孔直徑對(duì)通流能力的影響進(jìn)行了分析，結(jié)果顯示孔板通流面積是決定通流能力的主要因素，改變孔間距是控制安全擴(kuò)散能力的主要手段。李佳冀[6]對(duì)減壓裝置中常用的斜板正開小孔進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究結(jié)果表明采用斜板開孔能夠使得高速氣流在排放腔內(nèi)很短的距離內(nèi)總壓降低到較低的水平，產(chǎn)生較大的總壓損失。

本文嘗試采用在節(jié)流孔板上采用斜孔結(jié)構(gòu)，對(duì)斜孔的結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)化分解，并采用數(shù)值分析的方式分析各參數(shù)變化對(duì)于斜孔減壓能力的影響。

1 計(jì)算模型與網(wǎng)格

本文采用單斜孔模型進(jìn)行研究。計(jì)算模型見圖1。圖1中給出了單斜孔模型的外形圖。蒸汽由左側(cè)進(jìn)入，經(jīng)過單斜孔后從右側(cè)流出。

圖1 計(jì)算模型

邊界條件見表1。入口設(shè)為壓力入口，入口蒸汽為干度為1的干蒸汽。出口設(shè)為質(zhì)量流量出口，質(zhì)量流量數(shù)值為斜孔的臨界流量。壁面設(shè)置為絕熱光滑壁面。

表1 邊界條件

由于本研究中涉及不同喉部面積的小孔，為確保工質(zhì)流量與孔直徑對(duì)應(yīng)，因此取出口質(zhì)量流量為

圖2中給出了單斜孔模型的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。如圖中所示，單斜孔內(nèi)部采用混合網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，入口段及出口端均采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。單斜孔壁面附近網(wǎng)格均加密，第一層網(wǎng)格厚度為0.01 mm，在模擬工況下滿足y+<1。計(jì)算中保證個(gè)方程殘差小于10-5，在1 000次迭代步中出口質(zhì)量流量變化率小于0.1%，計(jì)算結(jié)果收斂。

圖2 網(wǎng)格模型

為了確保達(dá)到網(wǎng)格無關(guān)性要求，本文采用從4.2×104～1.3×105這5套逐漸加密的網(wǎng)格計(jì)算模型運(yùn)行工況的靜壓損失系數(shù)（見式（1）），計(jì)算結(jié)果見表2和圖3。網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到8.6×104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)格無關(guān)性要求。從而考慮計(jì)算進(jìn)度和計(jì)算資源的因素出發(fā)，本文采用網(wǎng)格數(shù)量為8.6×104個(gè)。

表2 網(wǎng)格無關(guān)性研究

圖3 網(wǎng)格無關(guān)性研究

將單斜孔模型進(jìn)行參數(shù)化，見圖4。單斜孔模型能夠分解為3個(gè)參數(shù)，分別為斜孔喉部直徑a/mm，斜孔角度b/(°)，板厚c/mm。單孔前后管直徑均為50 mm。

圖4 參數(shù)化圖形（單位：mm）

第2節(jié)～第5節(jié)中分別對(duì)開孔直徑φa/mm、開孔角度b/(°)及孔板厚度c/mm對(duì)于孔板減壓能力的影響進(jìn)行分析。因此設(shè)計(jì)模擬方案見表3。

表3 模擬方案

本文采用靜壓損失系數(shù)對(duì)模型壓力損失進(jìn)行表征，靜壓損失系數(shù)的計(jì)算公式為

式中：P入口為入口的平均總壓數(shù)值；P截面則為測量截面所在位置的平均靜壓。

2 斜孔與垂直孔流動(dòng)情況的對(duì)比

圖5展示了方案A與方案B的湍流動(dòng)能云圖，圖中橫坐標(biāo)x/X為橫向相對(duì)位置，y/Y為縱向相對(duì)位置。

圖5 湍動(dòng)能云圖

從圖5(b)中能夠觀察到垂直孔的湍動(dòng)能高區(qū)主要發(fā)生于節(jié)流孔后部，x/X=[0.3，0.6]之間的孔內(nèi)區(qū)域基本無湍動(dòng)能高區(qū)存在。

而在圖5(a)中能夠觀察到采用斜孔結(jié)構(gòu)后，斜孔內(nèi)部x/X=[0.3, 0.6]產(chǎn)生了較大的湍動(dòng)能高區(qū)。該湍動(dòng)能高區(qū)從斜孔后側(cè)依舊存在，該湍動(dòng)能高區(qū)的存在能夠?qū)⒐べ|(zhì)的壓力能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。

圖6給出了斜孔位置的速度云圖及流線圖。

圖6 速度云圖及流線圖

從圖6中能夠觀察到，工質(zhì)流過斜孔下側(cè)后，壁面邊界層發(fā)生分離，該位置流體隨圖中虛線方向進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。

該位置發(fā)生的邊界層分離是圖5(a)中x/X=0.3位置湍動(dòng)能高區(qū)產(chǎn)生的主要原因。

圖7中給出斜孔前后的靜壓損失系數(shù)分布圖。

圖7 靜壓損失系數(shù)分布圖

在斜孔前后分別去面1～面7，各面位置如圖7(a)中所示，其中面1～面2位于斜孔前，面3～面5位于斜孔中間，面6～面7位于斜孔后側(cè)。

從圖7(b)中能夠觀察到，面1～面3斜孔與垂直孔的靜壓損失系數(shù)基本一致。面4開始斜孔的靜壓損失系數(shù)開始明顯大于垂直孔。且靜壓損失系數(shù)到面7均保持該趨勢。

面3～面5中，湍動(dòng)能高區(qū)的存在就是靜壓損失系數(shù)增加的原因。圖6中靜壓損失系數(shù)與圖5中的流動(dòng)情況相對(duì)應(yīng)。

3 開孔直徑對(duì)于斜孔板減壓能力的影響

圖8給出了方案E、F、A及G的湍動(dòng)能云圖。

圖8 湍動(dòng)能云圖

從圖8中能夠觀察到，隨著斜孔板直徑的不斷增加，湍動(dòng)能高區(qū)在孔內(nèi)區(qū)域所占的面積不斷增加。但是湍動(dòng)能高區(qū)在孔內(nèi)所占面積不斷減小。方案E中，湍動(dòng)能高區(qū)占據(jù)了整個(gè)斜孔的1/2面積，且斜孔上部的工質(zhì)也受到湍動(dòng)能高區(qū)擾動(dòng)的影響發(fā)生湍動(dòng)能提高。而在方案A中，湍動(dòng)能高區(qū)占整個(gè)孔內(nèi)面積的1/3，孔內(nèi)仍然存在較大的湍動(dòng)能低區(qū)。

圖9中給出了方案E、F、A及G的出口靜壓損失系數(shù)對(duì)比圖。

圖9 靜壓損失系數(shù)對(duì)比圖

從圖9中能夠觀察到，隨著斜孔直徑的上升，模型出口的靜壓損失系數(shù)逐漸下降。

斜孔直徑的增加減小了斜孔對(duì)孔內(nèi)工質(zhì)的擾動(dòng)，使得斜孔的減壓能力下降。

斜孔的開孔直徑增大后，斜孔減壓能力減小。

在工程使用中，對(duì)于定質(zhì)量流量的減壓問題。斜孔直徑減小后，需要配打的斜孔數(shù)量將大大增加，且打孔難度也將大大提升，使得制造成本上升。因此無法通過不斷減小斜孔直徑的方式增加斜孔減壓能力。

4 開孔角度對(duì)于斜孔板減壓能力的影響

圖10給出了方案B、C、A及D的湍動(dòng)能云圖。

從圖10中能夠觀察到，隨著斜孔傾斜角度的不斷增加，湍動(dòng)能高區(qū)逐漸產(chǎn)生，并且其面積與強(qiáng)度不斷增加。斜孔下游的湍動(dòng)能高區(qū)的變化情況與孔內(nèi)流動(dòng)情況保持一致。

圖11中給出方案B、C、A及D的靜壓損失系數(shù)對(duì)比圖。

圖11 靜壓損失系數(shù)對(duì)比圖

從圖11中能夠觀察到隨著斜孔傾斜角度的增加，模型出口的靜壓損失系數(shù)逐漸上升。

靜壓損失系數(shù)的變化情況與圖10中的流動(dòng)情況保持一致。

斜孔的開孔角度增加后，斜孔減壓能力上升。

在工程使用中，隨著斜孔的傾斜的不斷增加，開孔難度不斷上升。因此無法通過不斷增加斜孔角度的方式增加斜孔減壓能力。

5 孔板厚度對(duì)于斜開孔斜孔板減壓能力影響

圖12中給出了方案H、A、I及J的湍動(dòng)能云圖

圖12 湍動(dòng)能云圖

從圖12中能夠觀察到，隨著孔板厚度的增加，斜孔內(nèi)部的湍動(dòng)能云圖的尺寸與強(qiáng)度不斷增加。斜孔內(nèi)部的湍動(dòng)能的增加，使孔內(nèi)分離增強(qiáng)。

圖13給出了方案H、A、I及J的靜壓損失系數(shù)對(duì)比圖。

圖13 靜壓損失系數(shù)對(duì)比圖

從圖13中能夠觀察到，隨著孔板厚度的增加，模型出口的靜壓損失系數(shù)逐漸上升。

靜壓損失系數(shù)的變化情況與圖12中的流動(dòng)情況保持一致。斜孔孔板的厚度增加后，斜孔減壓能力上升。

在工程使用中，隨著孔板厚度的增加，減壓裝置的重量與尺寸也會(huì)不斷增加。因此無法通過不斷增加孔板厚度的方式增加斜孔減壓能力。

綜合分析圖9、圖11及圖13中縱坐標(biāo)的變化情況能夠發(fā)現(xiàn)，增加斜孔角度與減小斜孔直徑對(duì)于增強(qiáng)斜孔減壓能力的效果較好。增加孔板厚度的方式對(duì)于增加斜孔減壓能力的效果較差。

6 結(jié)論

通過對(duì)斜孔結(jié)構(gòu)的參數(shù)化，將斜孔分解為開孔直徑、開孔角度及孔板厚度等3個(gè)參數(shù)。對(duì)比分析了各種參數(shù)對(duì)于斜孔減壓能力的影響，可以得到以下結(jié)論：

1）斜孔的采用能夠使得孔內(nèi)壁產(chǎn)生較大的流動(dòng)分離現(xiàn)象，使得斜孔結(jié)構(gòu)的減壓能力優(yōu)于垂直孔結(jié)構(gòu)。2）斜孔開孔直徑增大后，斜孔減壓能力減小。3）斜孔開孔角度增加后，斜孔減壓能力上升。4）斜孔孔板厚度增加后，斜孔減壓能力上升。