空冷低压排汽缸内部流场的实验与数值研究

摘要

汽轮机组性能的优劣主要由其经济性和安全性决定，汽轮机组的经济性可以由其各种损失总和的大小表征，其中排汽损失约占整个汽轮机内损失的15％。从工程实用角度出发，借助先进的CFD技术对汽轮机排汽系统进行气动性能研究，分析其损失机理，优化排汽系统的设计，具有重要的现实意义。排汽缸内部流动为复杂的三维非稳定流动，在早期往往采用模型吹风实验的方法来研究其气动性能，很少对其内部流场进行详细地实验测量研究。为了进一步深入了解其内部的流动情况，本文采用实验测量和数值模拟相结合的方法对模型排气缸内部流场进行研究。 首先利用激光粒子图像测速仪（PIV）瞬时整场测量的特点，来获得排气缸不同特征平面上的二维流场，捕捉到各个漩涡结构，并观察其随时间的波动特征。然后采用Anasys的ICEM和CFX软件对模化后的排汽系统模型通流部分进行网格生成和数值计算。通过数值计算，分析了扩压器背弧的加强肋和蜗壳中间挡板对流动和气动性能的影响，并且和实验结果进行比较，验证数值计算在排汽系统设计中应用的合理性。 实验测量和数值计算都成功捕捉到排汽缸内部的多个漩涡结构，在扩压器中特别是靠近导流环侧出口附近的流动分离，这导致扩压器有效出口面积的下降，扩压效果降低。 同时在排汽缸的蜗壳中存在两个基本类似的通道涡，通道涡为低速低压的区域，造成流动损失，而且使得排汽缸的出口速度分布不均匀，影响冷凝器的工作效率。本文的研究成果为深入认识排汽系统内部损失机理，更好地设计排汽系统提供重要参考。