气缸气缓冲特性的实验研究
王波++王威+李飞++程江南++宋乃秋++杨阳
摘 要：以某大功率汽轮机排汽缸为研究对象，以排汽缸的能量损失和出口截面的气流参数作为考察目标，通过模化试验进行排汽缸气动性能研究。试验测试结果发现，排汽缸出口截面存在3个较高的能量损失区，包括由分流造成的两个漩涡而导致的两个高损失区，以及由于旋向相反的两个漩涡作用而产生的中间高损失区；出口截面的速度不垂直度较高，不利于凝汽器中的凝结流动。通过针对该大功率汽轮机排汽缸流动特性的试验分析，需针对其关键结构尺寸进行相应改进，以优化排汽缸的气动性能，同时也为后续的排汽缸优化设计提供技术支撑。
关键词：排汽缸 能量损失 速度不垂直度 试验测试
中图分类号：TK26 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）01（c）-0051-04
排汽缸是汽轮机的重要组件之一，它是连接汽轮机末级和凝汽器的中间部件，其主要功能是将汽轮机末级的排汽输送至凝汽器中去，通过在凝汽器中对气流的扩压达到利用汽轮机排汽的余速动能的目的。由于末级排汽为亚声速，排汽缸通过选取沿流向逐渐增加的横截面积使汽流增压至凝汽器压力，以此减小汽轮机末级的压力，以增加有用焓降，使得相对内效率能够有所增加[1]。
针对汽轮机排汽缸的相关试验研究工作比较多，且多集中于仿真计算发展前期，以全尺寸试验和模型试验为主，主要是以试验结果为依据进行结构方面的相应改进，以提高其气动性能。相比较而言，全尺寸试验成本较高，费时费力，而模型试验相对试验周期更短，成本更低，已成为排汽缸试验研究的首选。Tajic L[2-3]等人采用1∶4模化的排汽缸模型对某排汽缸进行了试验研究，主要考查扩压器出口的相对位置和壁面粗糙度对排汽缸的影响情况。试验研究结果显示，扩压器出口到前壁面的距离与排汽缸的气动损失近似成正比例关系，该距离越小，其气动损失越小；而壁面的粗糙度并没有对缸内的气流运动产生显著影响，因此，可以不考虑它的影响作用；叶顶间隙泄漏能够提高排汽缸的气动性能，但与此同时降低了末级叶片排的效率Kasilov[4]等人针对排汽缸内的漩涡结构进行了试验研究，试验结果表明，虽然能够通过一些措施破坏排汽缸内的漩涡结构，一定程度上降低排汽缸的损失系数，但同时也会增加排汽缸的气动损失，需精心设计破坏排汽缸内漩涡结构的方法以降低排汽缸内的气动损失；付经纶[5]等人对某单级透平的汽轮机排汽系统模型的内流场进行了试验及数值研究，通过数值模拟和试验测试发现，非轴对称模型内流场的叶片表面的气动力分布和出口流场分布在圆周方向均为不均匀分布，且由于其进口位置的气流角影响，叶展方向的总压变化强烈，造成扩压器内部的气流分离现象恶化，严重影响了扩压效果；赵宝珠[6]等人依托某气动试验风洞对某30万kW汽轮机的排汽系统进行了试验测试，试验结果发现，其喉部出口位置大约有20%以上的区域为负压区，使得出口截面流动分布更为不均匀，严重影响了汽轮机的出力，相应提高了机组运行成本。
该文主要针对某大功率汽轮机排汽缸进行相应的模化试验，以研究其气动特性情况，主要通过排汽缸的能量损失和出口截面的速度不垂直度两个指标来衡量排汽缸的流动损失情况，为今后的结构改进工作提供一定帮助。
1 试验方法
该模化吹风试验是在低速风洞试验台上进行的，该试验台具有大流量、高压头，风量稳定，压力波动小，可以满足试验所需各工况对试验条件的要求。图1给出了进行模化试验的排汽缸试验台的简图。
汽轮机实际工作过程中，气流在排汽缸内部的运动如下：从入口管道流入，经过导流锥，气流呈环形轴向流动，进入导叶栅，气流在导叶栅的作用下从单纯的轴向流动变为具有一定周向速度分量的旋流，旋流角度与实际汽轮机末级动叶出口气流相符，旋流的气流流经由内弧体、背弧体组成的流道，流动方向由汽轮机轴向转向径向流动，从蜗壳一侧的矩形出口流出排汽缸试验件。
试验测试的测点布置在总进气管道和排汽出口端面，根据进气管道的总压、静压的测量结果，就可以计算出该位置的平均气流马赫数，作为试验工况的控制参数进行调整进气操作。试验中，在稳定工况下，该平均马赫数的相对偏差小于1%；为避免气流在流出排汽缸排汽口后直接排向大气急速扩散，导致影响排汽口流场的流动，进行出口測量的探头在测量时处于距离排汽缸出口边缘40 mm位置的内部，试验过程中选择五孔球头探针进行相关量的测量，采用非对向测量方法，拟定系统的采样时间为60 s。图2为排汽缸出口截面的测点布置示意图，为了确保流场测量的准确性，同时对流场结构变化较大的角区和边界区域进行了测点的局部加密。
2 试验结果分析
针对汽轮机排汽缸气动性能的评估以出口截面上的气动参数分布情况进行，通过能量损失系数来考察排汽缸的能量损失，通过速度不垂直度来评估出口位置的流动情况。
能量损失系数定义为：
（1）
式中：P为测量位置静压；P*为测量位置总压；Pin*为入口总压；k为绝热指数。
速度不垂直度：
评估排汽缸出口截面流动分布的参数，是出口气流速度矢量对出口截面的不垂直度，即出口气体流动速度和出口位置法线之间夹角的质量平均值。
（2）
式中：为测量面内速度分量；Vz为垂直于测量面的速度分量。
2.1 能量损失分析
图3为该模型试验件出口位置的能量损失系数等值云图。通过图3中可以看到，在该模型试验件出口位置有3个比较高的能量损失区。左右两个高损失区面积较大，损失值较高，这两个高损失区是气流流出径向扩压管，在蜗壳内流向顶部矩形出口截面时，在其底部由机组子午面处分流，分别形成的两个旋涡所造成。旋向相反的两个旋涡相互作用，产生面积和损失值相对两个高损失区较小的第3个高损失区，位于出口截面中间位置。
气流在排汽缸中的流动主要是绕流导向叶栅、轴向转径向扩压管以及蜗壳这3个组件。在导向叶栅中气流实现流动方向变化，模拟末级绝对出气方向，使气流有一定的预旋，因此，可不考虑气流是膨胀还是扩压。该文认为主要是在轴向径向扩压管中扩压，同时在扩压管中气流折转90°，从轴向流动进入径向流动。被收集到蜗壳体内的气流，沿蜗壳环状通道流向顶部的矩形出口，沿蜗壳底部子午面发生分流，在向顶部流动的同时，因蜗壳中设置了斜板，气流膨胀加速。由此看来，排汽缸的流动损失和不均匀性主要取决于来流的扭曲度以及扩压管和蜗壳之间扩压度分配。特别需要指出的是来流扭曲度决定出口截面左右两侧流动的对称性，扩压管的扩压度决定流动损失的大小。
2.2 速度不垂直度分析
图4为试验件出口位置的速度不垂直度的等值分布云图。由速度不垂直度的定义式可知，不垂直度的大小是排汽缸出口截面，亦即凝汽器进口截面气流方向偏离截面法向程度的度量。这也是保证凝汽器气动性能的要求条件之一。实质上，速度不垂直度正比于出口位置的速度分量，这个分量愈大，速度不垂直度也愈高。从图4中可以看到，排汽缸出口截面的速度不垂直度较高，其提供给凝汽器的入口气流方向不利于凝汽器中的凝结流动。
3 结语
该文通过针对某大功率汽轮机排汽缸进行模化试验测试，考察排汽缸出口截面的能量损失和速度不垂直度评估排汽缸的气动性能，结论如以下几点。
（1）在排汽缸出口截面上存在左右两个高损失区，是气流流出径向扩压管，在蜗壳内流向顶部矩形出口截面时，其底部由机组子午面分流，分别形成的两个旋涡所造成；旋向相反的两个旋涡相互作用，产生处于中间位置的第3个高损失区。排汽缸的流动损失主要取决于来流的扭曲度以及扩压管和蜗壳之间扩压度分配。
（2）排汽缸出口截面的速度不垂直度较高，其提供给凝汽器的入口气流方向不利于凝汽器中的凝结流动。
（3）针对该大功率排汽缸流动损失较大的情况，可通过改进排汽缸相关结构尺寸的方法来进行气动性能优化，主要包括出汽边高度、斜板角度以及蜗壳上部偏移量等。
参考文獻
[1] 黄树红.汽轮机原理[M].北京：中国电力出版社，2008.
[2] Tajic L，Bednr L.Exhaust Hoods of Double-Flow Arrangement[J].4th European Conference on Turbomachinery，2000.
[3] Tajic L，Bednr L，Hoznedl M.Exhaust Hood for the Steam Turbines of Single-Flow Arrangement[J].CMP Turbomachinery，2005.
[4] V F Kasilov.An Investigation of Facilities Acting on Swirl Flow in the Collection Chamber of the Exhaust Hoods for the Low-Pressure Cylinder in Steam Turbines[J].Thermal Engineering，2000，47（11）：984-990.
[5] 付经纶，周嗣京，刘建军.轴流透平与排汽系统间的相互作用研究[J].工程热物理学报，2008，29（4）：567-572.
[6] 赵宝珠，郭玉双.300 MW汽轮机排汽通道气动性能的研究[J].汽轮机技术，2002，44（5）：282-284.
