几种多进口多出口连通管的性能分析

陈阳

(东方汽轮机有限公司， 四川 德阳， 618000)

几种多进口多出口连通管的性能分析

陈阳

(东方汽轮机有限公司， 四川 德阳， 618000)

文章对某大型机组拟采用的多进口多出口连通管进行 CFD 分件， 研究了两种单管和一种双管型式的连通管， 指出对于单管连通管，在进口处不宜设置导流环；同时也指出双管连通管在气动性能上具有一定优越性。在实际应用中，可根据具体情况选用进口不设置导流环的单管或者双管型式的连通管。

汽轮机；连通管；导流环

0 引言

大型蒸汽轮机组中，中压缸排汽口和低压缸进汽口连接起来的管道通常被称为中低压连通管。通常连通管管内蒸汽温度在二三百度，且流量较大， 管径较粗， 而长度则可达四五米， 甚至 20多米。因此，连通管除了应该考虑增加膨胀节以吸收胀差值外，还应考虑它的流动气动性能。

连通管由于机组整体结构布置的需要，通常至少会经历两次 90°弯转， 根据弯转处是否加导流环 （也可由导流叶片环形成）， 连通管可分为在弯角处带导流环和不带导流环的两种形式。

王贵良等[1]对带导流片的连通管进行了模拟吹风试验研究，指出在连通管拐弯处合理设置导流片，减少了前后连通管流量分配的不均度，降低了连通管总压损失。 崔贤基[2]、 谭宗立[3]等则指出，无导流叶片环的连通管在经济性和安全性上都强于带导流叶片环结构的连通管。

常见的连通管是由一个进口和两个出口通过一根管子相连而形成三通形式呈现的。然而随着机组的发展和汽缸数量的增加，连通管就出现了多个进口多个出口的情况。通常连通管内蒸汽流速一般是限定在 50～70m/s， 这种情况下， 随着蒸汽流量的快速增加，连通管管径将增大，管壁变厚，会带来管道布置困难、管壁应力增加、支吊架设计困难等一系列问题。

本文对某大型机组拟采用的多进口多出口连通管进行 CFD 分析， 研究了两种单管和一种双管型式的连通管在气动性能上的差异，研究结果为这种多个进口多个出口的连通管在型式选择上提供了重要参考。

1 单管型式连通管的气动分析

对于单管连通管，本文分别对在第二进口处是否加导流环而形成的两种模型进行了分析。

图1和图2分别是这两种型式单管连通管的几何模型示意图。为方便起见，本文称图1所示模型为模型A， 称图2所示模型为模型 B。 这两个模型都是由两个进口和两个出口组成，总长约23m， 管 径 在 细 处 为 Φ1760mm， 在 粗 处 为Φ2500mm。 唯一不同的是， 模型 A 在 INLET2 融入粗管时增设了一圈导流环。

图1 模型A几何模型示意图

图2 模型B几何模型示意图

本文对以上两模型在相同条件下采用 CFX 进行了定常分析。 计算中所使用的工质采用 IAPWSIF97 水蒸汽模型， 蒸汽进口总流量为 455.513kg/s，

进汽温度 344.7℃， 出口蒸汽压力 0.447MPa。对于计算结果，本文首先从模型的流线图上进行定性分析。

图3是模型A的三维流线图，从流线上可以看出， 在 INLET2 处增设导流环后， 从 INLET1 进入的蒸汽大多经由 OUTLET2 流出， 而从 INLET2进入的蒸汽大多经由 OUTLET1 流出。 图4 和图5分别是模型 A 从 INLET1 和 INLET2 开始的三维流线图，从而更清晰地看到了这一点。由此可以推断， 来自 INLET1 的那部分蒸汽， 其能量损失会远大于来自 INLET2 的那部分蒸汽的能量损失； 另外， 从图中也可以看出， 蒸汽在 OUTLET1 处的速度明显大于 OUTLET2 处的速度。 这样相同参数状态的蒸汽从进口流入，但在从两个出口流出时，蒸气的相关参数却有了较大的差异，而大的差异对于低压缸来说，并不是一件好事。

图3 模型A的三维流线图

图4 模型 A 三维流线图 （INLET1）

图5 模型 A 三维流线图 （INLET2）

类似地，我们对模型B的流线进行同样的分析。 图6～图8 分别给出了该模型的流线图。 从流线图中， 我们明显地看到， 从 INLET1 进入的稍占多数的蒸汽经由 OUTLET1 流出， 而从 INLET2 进入的稍占多数的蒸汽经由 OUTLET2 流出， 但流量的这种差别与模型A相比已大为减小。由此也可以断定，相比模型A，来自两个进口的两部分蒸汽，其最终能量损失的差别也大为减小；另外，从图中也可以看出，蒸汽在两个出口处速度的差异也明显地减小，两股蒸汽在出口处的状态参数也将均匀一些，这将是有利的一点。

图6 模型B的三维流线图

图7 模型 B 三维流线图 （INLET1）

图8 模型 B 三维流线图 （INLET2）

为了定量地比较各种连通管的性能差异，本文用总压损失系数ζ来进行评估，这里总压损失系数的定义采用式 （1） 的形式。

其中，P*in为连通管进口处的总 压； P*out为连通管出口处的总压； ρin和 νin分别表示连通管进口处的密度和速度。

对于连通管，因为流速不高，可以认为式（1） 与式 （2） 等价， 式 （2） 中 Pin为连通管进口处的静压。

另外，根据需要本文将用流量平均的方法来综合评判两个进口 （出口） 处参数的均值。 蒸汽的某参数 η 在进口处的流量平均定义如式 （3）（出口处各参数的流量平均类似定义）。

其中， ηinlet1和 ηinlet2分别表示参数 η 在 INLET1和 INLTE2 处的参数值； minlet1和 minlet2分别表示参数 η 在 INLET1 和 INLET2 处的流量值。

表1对上面两种单管连通管模型在各个进出口的一些参数进行了汇总。

在表1 中， MASS 表示流量 （kg/s）， V 表示速度 （m/s）， 下划线后面是相应参数所在的位置。另外表1 中的 V_INLET （V_OUTLET） 表示连通管两个进口 （两个出口） 速度的流量平均值。

表1 进出口参数汇总表

从表1可以看出，无论是流量还是速度，模型B两个进口 （两个出口） 之间的参数值都要比模型A相应位置之间的参数值更为接近，也就是说，两股蒸汽在模型B中的流动要更为均匀一些。这与上面从流线图上得到的结论是一致的。

表2 是利用式 （2） 计算得到的总压损失系数， 计算中所用到的进口总 （静） 压均采用两个进口处总 （静） 压的流量平均。 其中， ζ_OUTLET1 和ζ_OUTLET2 分别是在 OUTLET1 和 OUTLET2 处取总压求得， 而 ζ则是由两个出口总压的流量平均值得到的，它表征了模型的总体能量损失特性。

表2 总压损失系数表

从表2可以看出，在分别以两个出口为基准所求得的总压损失系数中， 模型 A 以 OUTLET1 为基准所求得的总压损失系数最小， 以 OUTLET2 为基准所求得的总压损失系数最大；因为在两进口处蒸汽参数完全相同，所以这也可以近似地理解为， 模型 A 中经由 OUTLET1 的那部分气流在流动中具有最小的总压损失， 而经由 OUTLET2 的那部分气流在流动中具有最大的总压损失。

对于两种模型，从它们的总体性能来看，模型B总压损失小于模型A，所以模型B要优于模型A。 对于这一点，可以认为是蒸汽在模型B中的流动更为均匀的缘故。

2 双管型式连通管的气动分析

双管形式连通管就是指由两根相互独立的管子组成的连通管。这样的连通管一个进口只对应一个出口，两个管子中的两股汽流互不干扰，如图9所示，本文称该模型为模型 C。 模型 C 总长度 23m，均匀管径 Φ1760mm。

图9 模型C几何模型示意图

对模型C采用与单管相同的方法进行分析，网格的划分以及计算中所采用的工质、进出口边界条件等设置与单管计算时完全一致，进而保证了文中几个模型计算结果的可比性。

图10是模型C的三维流线图。

图10 模型 C的三维流线图

模型C一个进口只对应一个出口，汽流在两个管子中不会互相干扰，流动相对简单。计算结果也表明，模型C进出口流量绝对均分，且汽流相关参数也较为均匀，模型C进出口参数及总压损失系数见表3。 其中， 表3中各项的定义与单管相应各项的定义完全相同。

表3 模型C性能汇总表

3 分析与结论

本文所提及的三个模型，首先在几何上严格保证了相似，并且在网格划分以及后续计算分析时采用了完全相同的方法和设置，从而保证了三个模型计算结果的可比性。

对于单管两个模型：一方面，根据上面的分析知道，模型B是优于模型A的，或者说对于单管型式的连通管，进口处不带导流环的连通管在气动性能上是比进口处带导流环的连通管优越的；另一方面，增设导流环会增加生产成本，而且导流环自身也还存在一个安全可靠性的问题，这一点与文献 [2] 和 [3] 中提出的问题如出一辙。 所以综合考虑，对于单管形式的连通管，在实际应用中，应优先采用B模型，在进口处还是以不设置导流环为好。

对于单双管型式的连通管，比较模型B和模型C， 可以看到， 模型C的总压损失系数是小于模型B的总压损失系数的。

如果单从气动角度考虑，应优先选择模型C这种双管型式的连通管。然而双管型式可能会增加连通管的耗材，在这一点上又是不经济的。

所以对于这种多进口多出口的连通管，在实际应用中是采用双管还是单管的型式，需要综合管道耗材、管道布置、支吊架设计等问题来考虑。当管径不是太粗并且也不会引起一些其它问题的时候，可以优先采用模型B结构的连通管，否则采用模型C这种双管型式的连通管。

综合本文上面所做的分析，对于多进口多出口的连通管，可以得出如下结论：

（1） 对于单管连通管， 在进口处不宜设置导流环结构；

（2） 双管连通管气动性能优于单管连通管，某些条件下可以考虑采用双管连通管；

（3） 实际应用中， 设计者应根据具体情况选用进口不带导流环的单管连通管或者双管连通管，以求得最佳的经济性。

[1] 王贵良,杨明.汽轮机高低压缸连通管气动性能试验研究[J]. 热能动力工程,2000,15 （5）： 485-487,577

[2] 崔贤基,张贵林.大型汽轮机两种结构形式的中低压连通管比较分析[J]. 机械工程师,2011 （5）： 61-63

[3] 谭宗立.中低压缸连通管数值模拟与导流叶片可靠性分析[J]. 汽轮机技术,2010， 52 （4）： 247-249

Performance Analysis for Some Kinds of Cross-over Pipes w ith Mutiple Inlets and Mutiple Outlets

Chen Yang
（Dongfang Turbine Co.,Ltd.Deyang Sichuan 618000）

A kind of cross-over pipe withmutiple inlets andmutiple outlets used in a large-scale unit is analyzed with CFD in this article.Two kinds of cross-over pipes with single pipe and the third kind of cross-over pipe with double pipes are studied.And it indicates that guide ring is not suitable to set at the inlet of the cross-over pipe for a single pipe,and that the cross-over pipe with double pipes is better than the one with a single pipe in the aerodynamic performance.In a practical application,the cross-over pipeswith a single pipe or double pipeswhich are no guide ring at the inlets are used according to the actual conditions.

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陈阳 （1983-）， 男， 工程师， 2008 年 6 月毕业于中国科学院力学研究所， 现主要从事汽轮机产品设计。