凝汽器喉部出口流场分布的试验研究

张磊磊

（上海电气电站设备有限公司电站辅机厂，上海200090）

凝汽器喉部出口流场分布的试验研究

张磊磊

（上海电气电站设备有限公司电站辅机厂，上海200090）

试验时，应用相似性原理，在满足相同流动状态的前提下，采用对模型吹风的方法，建立了一套凝汽器喉部的微型模化装置。在该微型装置上，采用了不同的入口流速，对喉部出口的流场分布进行了模拟试验。首先分析了流动的稳定性，并在不同内部设备条件下，分析了喉部出口的流场分布。试验结果表明，该微型模化试验装置能够反映喉部内的流动状况，可用于其流动状态及流场分布的试验研究。

汽轮机；凝汽器；喉部；流场分布；微型；模拟；试验；装置

0 概 述

汽轮机凝汽器喉部是接受汽轮机排汽的通道，是凝汽系统中重要的组成部分。从结构上分析，凝汽器喉部是一个复杂的蒸汽通道，通常被设计成具有一定扩散角度的棱台形结构，且内部布置有大量的支撑管件和抽汽管、低压加热器等部件。由于喉部结构较复杂，当汽轮机的排汽经过喉部后，将形成不均匀的流场分布，因此，在某些部位形成了局部高速汽流，造成下级冷却管的汽流激振，这是冷却管破坏的主要原因之一[1]。因此，在凝汽器喉部设计过程中，应尽量寻求合理的结构，让喉部出口的流场分布尽可能地均匀，降低汽流激振对冷却管的破坏作用。目前，研究喉部出口流场分布方面的文献较少，这是因为在运行状况下，对凝汽器喉部流场的测量具有很大的困难。

为更好的研究喉部出口流场分布状态，在以往对模型吹风试验的基础上，建立了一套凝汽器喉部的微型模化试验装置，缩小了模型的外形尺寸。针对喉部结构，采用柔性设计，克服以往模化试验的缺点。应用该试验装置，对喉部出口流场的分布进行了试验和研究。

1 模化试验的前提条件及试验模型

1.1 凝汽器喉部模化试验的前提条件

该微型模化试验主要考虑几何尺寸相似、欧拉数Eu相等和满足相同流态三个前提条件，即：

式（1）中，k1为模型缩小比例，实验时设定为30；k2为实体和模型入口Re数的比值，由于要满足两者均处于旺盛紊流区，其取值应限定在一定范围内。试验装置的可行性，主要取决于能否满足模型与实体之间入口流态相同的条件，即满足处于相同的自模化区，这是实验是否可行的关键所在。

流动自模化区域的分布，如图1所示。图1中，Recr1为第一临界值，对于管内流动取2 320。Recr2为第二临界值，其数值需通过试验确定。试验结果表明，通道形状越复杂，通道内被填充的程度越大。管径越小，管道表面的粗糙度越大，流动进入第二自模化区的临界值Recr2越小。由于喉部内布置有大量的支撑管，且管材为镀锌钢管，管子的当量粗糙度k当=0.45 mm，喉部入口当量直径为237 mm，查表可以得出Recr2=2.72×105。当Re＞Recr2时，模型达到第二自模化条件，此时，Eu数基本上不再随Re数的增加而发生变化[4]。由于汽轮机的排汽速度非常高，蒸汽的实际流动状态处于第二自模化区，入口Re数达到了4.60×106。在模化试验条件下，为满足流态也达到第二自模化区，试验设定工质的最小入口流速为19.2 m/s，对应最小的入口Re数为3. 02×105。从图1可知，试验模型和实体的入口Re数均大于Recr2，这样就保证了流动阻力的相似性。

图1 流动自模化区域分布图

1.2 喉部结构模型的建立

试验以某600 MW机组凝汽器喉部为例，并进行了适当的简化处理。采用1∶30的模型缩小比例。喉部为一棱台形结构，其内部布置的部件或设备主要包括支撑管、低压加热器、抽汽管等[5]。喉部壳体以及内部设备的布置如图2所示。喉部的结构参数如表1所示。

图2 喉部壳体及内部设备布置图

表1 喉部模型的尺寸参数［5］

2 实验结果及数据分析

试验分别对喉部空壳体、喉部内仅布置低压加热器及喉部内布置有低加、抽汽管和支撑管三种条件下的出口流场分布进行了试验研究。

2.1 喉部为空壳体时的出口流场分布

如图3所示，在流速为32.2 m/s、喉部为空壳体条件下的出口流场分布图。从图3可知，整个出口流区可分为两部分：斜壁下方的低速流区和喉部中间的高速流区。这主要是因为在流体流经壁面处时，受壁面黏滞作用导致了速度较低；而在主流区，由于没有其它设备的阻滞，出口平均流速较高，且分布相对比较均匀。

2.2 喉部内布置低加时的出口流场分布

图3 流速为32 62 m/s时喉部空壳体内的出口流场分布

图4 喉部内仅布置低加时出口流场分布

在图4中，a、b分别表示流速为32.2 m/s和30.7 m/s时，喉部出口流场的分布状态。如4图所示，当喉部内加入了低压加热器后，在主流区形成绕圆柱流动，使得低压加热器的下方形成低速流区，而低压加热器两侧形成高速流区。由于低压加热器的阻滞作用，出口处的平均流速有所降低。另外，当流体绕圆柱流动时，在不同流体Re数的条件下，形成的绕流脱体效应并不相同，进而产生不同的阻滞作用。如图5所示，在Y=12.65 cm和14.65 cm两个截面上（低压加热器的下方区域），Z方向流速都出现了两个峰值，即在Z方向上的流速变化趋势为：在壁面处为低速流区，在向主流区的过渡过程中，先逐渐增大，而后在进入主流区后，流速反而又逐渐降低，主要原因是在过渡区域的流体Re数相对于主流区较低，其绕流脱体处于亚临界状态，低压加热器对流体的阻滞力较小，而主流区的流体Re数较大，处于亚临界向超临界的过渡区域。此时，低压加热器对流体的阻滞力较大，因此，在主流区中央形成了一个相对的低速流区。

图5 低加下方区域各点速度

2.3 喉部内布置低加和抽汽管及支撑管时的出口流场分布

当喉部内加入了低压加热器、抽汽管和支撑管后，由于抽汽管和支撑管的阻塞作用，喉部的流动阻力变得更大。喉部出口流场仍被分为靠近壁面及低压加热器下方的低速流区和低压加热器两侧的高速流区，但流场的分布变得更加的不均匀，且出口平均速度有所增加，如图6所示。由于支撑管的加入，破坏了绕低压加热器流动的脱体效应，因此，低压加热器下方区域并没有形成与图5相似的速度分布规律。

图6 喉部内布置低加和抽汽管及支撑管时的出口流场分布

3 结 语

在以往凝汽器喉部模型吹风试验分析的基础上，建立了一套微型模化试验装置，并对其可行性进行了分析。应用该微型模化试验装置，对喉部出口流场的分布进行了试验研究，并分析了内部各主要管件对流场分布的影响。

（1）凝汽器喉部的出口流场分布极不均匀，即喉部内的空气流动为非稳定性流动。

（2）当喉部内无设备时，出口平均速度较高，主流区的速度分布相对较均匀，且为高速流区，在斜壁下方形成低速流区。

（3）当喉部内仅布置低压加热器时，出口平均流速有所降低，由于绕圆柱流动产生的漩涡脱体，使得低压加热器下方形成了低速流区，其两侧为高速流区。在低压加热器下方的低速流区内，斜壁下方和中间区域的速最低。

（4）经实验后分析，造成喉部出口流场不均匀性的主要因素，是因为在喉部布置了低加设备，而布置支撑管后，出口流场的分布变得更加混乱。

[1]张卓澄.大型电站凝汽器[M].北京：机械工业出版社，1993.

[2]安平纪雄，佐藤武，向井康晃.关于凝结器喉部流动特性的实验研究[D].国外凝汽器论文集，1983.

[3]林建忠，阮晓东，陈邦国.流体力学[M].北京：清华大学出版社，2005.

[4]崔国民.汽轮机凝汽器喉部合理设计及布置研究[D].上海理工大学博士后研究报告.2000.

[5]郭玉双，赵宝珠.300 MW汽轮机凝汽器喉部段通道改造研究[J].热力透平.2003，32（3）：156-159.

[6]尹协远，孙德菌.旋涡流动的稳定性[M].北京：国防工业出版社，2003.

[7]童秉纲，张炳暄，崔尔杰.非定常流与涡运动[M].北京：国防工业出版社，1993.

Experimental Study onthe Flow Field Distribution at Condenser Throat Exit

ZHANG Lei-lei
（Shanghai Power Station Auxiliary Equipment Plant，Shanghai Electric Power Generation Equipment Co.，Ltd.，Shanghai 200090，China）

A miniature-modeling device of condenser throat is established applying the similarity principle and model blow method on the premise of same flow status.The flow distribution at throat exit is studied experimentally at different entrance velocity conditions on the device.The stability of flow is analyzed first；then the flowing distribution at throat exit is studied under different inner equipment condition.The experiment results show that the miniature-modeling device can show the flow condition inside the throat，and can be used to study the flow condition and flow field distribution of condenser throat.

turbine；condenser；throat；flow field distribution；miniature-modeling；simulation；experiment；device

TK264 61+1

B

1672-0210（2016）02-0013-03

2016-03-25

张磊磊（1984-），男，硕士研究生，毕业于上海理工大学，从事凝汽器及换热器的设计工作。