幾種多進(jìn)口多出口連通管的性能分析

陳陽(yáng)

(東方汽輪機(jī)有限公司， 四川 德陽(yáng)， 618000)

幾種多進(jìn)口多出口連通管的性能分析

陳陽(yáng)

(東方汽輪機(jī)有限公司， 四川 德陽(yáng)， 618000)

文章對(duì)某大型機(jī)組擬采用的多進(jìn)口多出口連通管進(jìn)行 CFD 分件， 研究了兩種單管和一種雙管型式的連通管， 指出對(duì)于單管連通管，在進(jìn)口處不宜設(shè)置導(dǎo)流環(huán)；同時(shí)也指出雙管連通管在氣動(dòng)性能上具有一定優(yōu)越性。在實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)具體情況選用進(jìn)口不設(shè)置導(dǎo)流環(huán)的單管或者雙管型式的連通管。

汽輪機(jī)；連通管；導(dǎo)流環(huán)

0 引言

大型蒸汽輪機(jī)組中，中壓缸排汽口和低壓缸進(jìn)汽口連接起來(lái)的管道通常被稱為中低壓連通管。通常連通管管內(nèi)蒸汽溫度在二三百度，且流量較大， 管徑較粗， 而長(zhǎng)度則可達(dá)四五米， 甚至 20多米。因此，連通管除了應(yīng)該考慮增加膨脹節(jié)以吸收脹差值外，還應(yīng)考慮它的流動(dòng)氣動(dòng)性能。

連通管由于機(jī)組整體結(jié)構(gòu)布置的需要，通常至少會(huì)經(jīng)歷兩次 90°彎轉(zhuǎn)， 根據(jù)彎轉(zhuǎn)處是否加導(dǎo)流環(huán) （也可由導(dǎo)流葉片環(huán)形成）， 連通管可分為在彎角處帶導(dǎo)流環(huán)和不帶導(dǎo)流環(huán)的兩種形式。

王貴良等[1]對(duì)帶導(dǎo)流片的連通管進(jìn)行了模擬吹風(fēng)試驗(yàn)研究，指出在連通管拐彎處合理設(shè)置導(dǎo)流片，減少了前后連通管流量分配的不均度，降低了連通管總壓損失。 崔賢基[2]、 譚宗立[3]等則指出，無(wú)導(dǎo)流葉片環(huán)的連通管在經(jīng)濟(jì)性和安全性上都強(qiáng)于帶導(dǎo)流葉片環(huán)結(jié)構(gòu)的連通管。

常見(jiàn)的連通管是由一個(gè)進(jìn)口和兩個(gè)出口通過(guò)一根管子相連而形成三通形式呈現(xiàn)的。然而隨著機(jī)組的發(fā)展和汽缸數(shù)量的增加，連通管就出現(xiàn)了多個(gè)進(jìn)口多個(gè)出口的情況。通常連通管內(nèi)蒸汽流速一般是限定在 50～70m/s， 這種情況下， 隨著蒸汽流量的快速增加，連通管管徑將增大，管壁變厚，會(huì)帶來(lái)管道布置困難、管壁應(yīng)力增加、支吊架設(shè)計(jì)困難等一系列問(wèn)題。

本文對(duì)某大型機(jī)組擬采用的多進(jìn)口多出口連通管進(jìn)行 CFD 分析， 研究了兩種單管和一種雙管型式的連通管在氣動(dòng)性能上的差異，研究結(jié)果為這種多個(gè)進(jìn)口多個(gè)出口的連通管在型式選擇上提供了重要參考。

1 單管型式連通管的氣動(dòng)分析

對(duì)于單管連通管，本文分別對(duì)在第二進(jìn)口處是否加導(dǎo)流環(huán)而形成的兩種模型進(jìn)行了分析。

圖1和圖2分別是這兩種型式單管連通管的幾何模型示意圖。為方便起見(jiàn)，本文稱圖1所示模型為模型A， 稱圖2所示模型為模型 B。 這兩個(gè)模型都是由兩個(gè)進(jìn)口和兩個(gè)出口組成，總長(zhǎng)約23m， 管 徑 在 細(xì) 處 為 Φ1760mm， 在 粗 處 為Φ2500mm。 唯一不同的是， 模型 A 在 INLET2 融入粗管時(shí)增設(shè)了一圈導(dǎo)流環(huán)。

圖1 模型A幾何模型示意圖

圖2 模型B幾何模型示意圖

本文對(duì)以上兩模型在相同條件下采用 CFX 進(jìn)行了定常分析。 計(jì)算中所使用的工質(zhì)采用 IAPWSIF97 水蒸汽模型， 蒸汽進(jìn)口總流量為 455.513kg/s，

進(jìn)汽溫度 344.7℃， 出口蒸汽壓力 0.447MPa。對(duì)于計(jì)算結(jié)果，本文首先從模型的流線圖上進(jìn)行定性分析。

圖3是模型A的三維流線圖，從流線上可以看出， 在 INLET2 處增設(shè)導(dǎo)流環(huán)后， 從 INLET1 進(jìn)入的蒸汽大多經(jīng)由 OUTLET2 流出， 而從 INLET2進(jìn)入的蒸汽大多經(jīng)由 OUTLET1 流出。 圖4 和圖5分別是模型 A 從 INLET1 和 INLET2 開始的三維流線圖，從而更清晰地看到了這一點(diǎn)。由此可以推斷， 來(lái)自 INLET1 的那部分蒸汽， 其能量損失會(huì)遠(yuǎn)大于來(lái)自 INLET2 的那部分蒸汽的能量損失； 另外， 從圖中也可以看出， 蒸汽在 OUTLET1 處的速度明顯大于 OUTLET2 處的速度。 這樣相同參數(shù)狀態(tài)的蒸汽從進(jìn)口流入，但在從兩個(gè)出口流出時(shí)，蒸氣的相關(guān)參數(shù)卻有了較大的差異，而大的差異對(duì)于低壓缸來(lái)說(shuō)，并不是一件好事。

圖3 模型A的三維流線圖

圖4 模型 A 三維流線圖 （INLET1）

圖5 模型 A 三維流線圖 （INLET2）

類似地，我們對(duì)模型B的流線進(jìn)行同樣的分析。 圖6～圖8 分別給出了該模型的流線圖。 從流線圖中， 我們明顯地看到， 從 INLET1 進(jìn)入的稍占多數(shù)的蒸汽經(jīng)由 OUTLET1 流出， 而從 INLET2 進(jìn)入的稍占多數(shù)的蒸汽經(jīng)由 OUTLET2 流出， 但流量的這種差別與模型A相比已大為減小。由此也可以斷定，相比模型A，來(lái)自兩個(gè)進(jìn)口的兩部分蒸汽，其最終能量損失的差別也大為減小；另外，從圖中也可以看出，蒸汽在兩個(gè)出口處速度的差異也明顯地減小，兩股蒸汽在出口處的狀態(tài)參數(shù)也將均勻一些，這將是有利的一點(diǎn)。

圖6 模型B的三維流線圖

圖7 模型 B 三維流線圖 （INLET1）

圖8 模型 B 三維流線圖 （INLET2）

為了定量地比較各種連通管的性能差異，本文用總壓損失系數(shù)ζ來(lái)進(jìn)行評(píng)估，這里總壓損失系數(shù)的定義采用式 （1） 的形式。

其中，P*in為連通管進(jìn)口處的總 壓； P*out為連通管出口處的總壓； ρin和 νin分別表示連通管進(jìn)口處的密度和速度。

對(duì)于連通管，因?yàn)榱魉俨桓撸梢哉J(rèn)為式（1） 與式 （2） 等價(jià)， 式 （2） 中 Pin為連通管進(jìn)口處的靜壓。

另外，根據(jù)需要本文將用流量平均的方法來(lái)綜合評(píng)判兩個(gè)進(jìn)口 （出口） 處參數(shù)的均值。 蒸汽的某參數(shù) η 在進(jìn)口處的流量平均定義如式 （3）（出口處各參數(shù)的流量平均類似定義）。

其中， ηinlet1和 ηinlet2分別表示參數(shù) η 在 INLET1和 INLTE2 處的參數(shù)值； minlet1和 minlet2分別表示參數(shù) η 在 INLET1 和 INLET2 處的流量值。

表1對(duì)上面兩種單管連通管模型在各個(gè)進(jìn)出口的一些參數(shù)進(jìn)行了匯總。

在表1 中， MASS 表示流量 （kg/s）， V 表示速度 （m/s）， 下劃線后面是相應(yīng)參數(shù)所在的位置。另外表1 中的 V_INLET （V_OUTLET） 表示連通管兩個(gè)進(jìn)口 （兩個(gè)出口） 速度的流量平均值。

表1 進(jìn)出口參數(shù)匯總表

從表1可以看出，無(wú)論是流量還是速度，模型B兩個(gè)進(jìn)口 （兩個(gè)出口） 之間的參數(shù)值都要比模型A相應(yīng)位置之間的參數(shù)值更為接近，也就是說(shuō)，兩股蒸汽在模型B中的流動(dòng)要更為均勻一些。這與上面從流線圖上得到的結(jié)論是一致的。

表2 是利用式 （2） 計(jì)算得到的總壓損失系數(shù)， 計(jì)算中所用到的進(jìn)口總 （靜） 壓均采用兩個(gè)進(jìn)口處總 （靜） 壓的流量平均。 其中， ζ_OUTLET1 和ζ_OUTLET2 分別是在 OUTLET1 和 OUTLET2 處取總壓求得， 而 ζ則是由兩個(gè)出口總壓的流量平均值得到的，它表征了模型的總體能量損失特性。

表2 總壓損失系數(shù)表

從表2可以看出，在分別以兩個(gè)出口為基準(zhǔn)所求得的總壓損失系數(shù)中， 模型 A 以 OUTLET1 為基準(zhǔn)所求得的總壓損失系數(shù)最小， 以 OUTLET2 為基準(zhǔn)所求得的總壓損失系數(shù)最大；因?yàn)樵趦蛇M(jìn)口處蒸汽參數(shù)完全相同，所以這也可以近似地理解為， 模型 A 中經(jīng)由 OUTLET1 的那部分氣流在流動(dòng)中具有最小的總壓損失， 而經(jīng)由 OUTLET2 的那部分氣流在流動(dòng)中具有最大的總壓損失。

對(duì)于兩種模型，從它們的總體性能來(lái)看，模型B總壓損失小于模型A，所以模型B要優(yōu)于模型A。 對(duì)于這一點(diǎn)，可以認(rèn)為是蒸汽在模型B中的流動(dòng)更為均勻的緣故。

2 雙管型式連通管的氣動(dòng)分析

雙管形式連通管就是指由兩根相互獨(dú)立的管子組成的連通管。這樣的連通管一個(gè)進(jìn)口只對(duì)應(yīng)一個(gè)出口，兩個(gè)管子中的兩股汽流互不干擾，如圖9所示，本文稱該模型為模型 C。 模型 C 總長(zhǎng)度 23m，均勻管徑 Φ1760mm。

圖9 模型C幾何模型示意圖

對(duì)模型C采用與單管相同的方法進(jìn)行分析，網(wǎng)格的劃分以及計(jì)算中所采用的工質(zhì)、進(jìn)出口邊界條件等設(shè)置與單管計(jì)算時(shí)完全一致，進(jìn)而保證了文中幾個(gè)模型計(jì)算結(jié)果的可比性。

圖10是模型C的三維流線圖。

圖10 模型 C的三維流線圖

模型C一個(gè)進(jìn)口只對(duì)應(yīng)一個(gè)出口，汽流在兩個(gè)管子中不會(huì)互相干擾，流動(dòng)相對(duì)簡(jiǎn)單。計(jì)算結(jié)果也表明，模型C進(jìn)出口流量絕對(duì)均分，且汽流相關(guān)參數(shù)也較為均勻，模型C進(jìn)出口參數(shù)及總壓損失系數(shù)見(jiàn)表3。 其中， 表3中各項(xiàng)的定義與單管相應(yīng)各項(xiàng)的定義完全相同。

表3 模型C性能匯總表

3 分析與結(jié)論

本文所提及的三個(gè)模型，首先在幾何上嚴(yán)格保證了相似，并且在網(wǎng)格劃分以及后續(xù)計(jì)算分析時(shí)采用了完全相同的方法和設(shè)置，從而保證了三個(gè)模型計(jì)算結(jié)果的可比性。

對(duì)于單管兩個(gè)模型：一方面，根據(jù)上面的分析知道，模型B是優(yōu)于模型A的，或者說(shuō)對(duì)于單管型式的連通管，進(jìn)口處不帶導(dǎo)流環(huán)的連通管在氣動(dòng)性能上是比進(jìn)口處帶導(dǎo)流環(huán)的連通管優(yōu)越的；另一方面，增設(shè)導(dǎo)流環(huán)會(huì)增加生產(chǎn)成本，而且導(dǎo)流環(huán)自身也還存在一個(gè)安全可靠性的問(wèn)題，這一點(diǎn)與文獻(xiàn) [2] 和 [3] 中提出的問(wèn)題如出一轍。 所以綜合考慮，對(duì)于單管形式的連通管，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)優(yōu)先采用B模型，在進(jìn)口處還是以不設(shè)置導(dǎo)流環(huán)為好。

對(duì)于單雙管型式的連通管，比較模型B和模型C， 可以看到， 模型C的總壓損失系數(shù)是小于模型B的總壓損失系數(shù)的。

如果單從氣動(dòng)角度考慮，應(yīng)優(yōu)先選擇模型C這種雙管型式的連通管。然而雙管型式可能會(huì)增加連通管的耗材，在這一點(diǎn)上又是不經(jīng)濟(jì)的。

所以對(duì)于這種多進(jìn)口多出口的連通管，在實(shí)際應(yīng)用中是采用雙管還是單管的型式，需要綜合管道耗材、管道布置、支吊架設(shè)計(jì)等問(wèn)題來(lái)考慮。當(dāng)管徑不是太粗并且也不會(huì)引起一些其它問(wèn)題的時(shí)候，可以優(yōu)先采用模型B結(jié)構(gòu)的連通管，否則采用模型C這種雙管型式的連通管。

綜合本文上面所做的分析，對(duì)于多進(jìn)口多出口的連通管，可以得出如下結(jié)論：

（1） 對(duì)于單管連通管， 在進(jìn)口處不宜設(shè)置導(dǎo)流環(huán)結(jié)構(gòu)；

（2） 雙管連通管氣動(dòng)性能優(yōu)于單管連通管，某些條件下可以考慮采用雙管連通管；

（3） 實(shí)際應(yīng)用中， 設(shè)計(jì)者應(yīng)根據(jù)具體情況選用進(jìn)口不帶導(dǎo)流環(huán)的單管連通管或者雙管連通管，以求得最佳的經(jīng)濟(jì)性。

[1] 王貴良,楊明.汽輪機(jī)高低壓缸連通管氣動(dòng)性能試驗(yàn)研究[J]. 熱能動(dòng)力工程,2000,15 （5）： 485-487,577

[2] 崔賢基,張貴林.大型汽輪機(jī)兩種結(jié)構(gòu)形式的中低壓連通管比較分析[J]. 機(jī)械工程師,2011 （5）： 61-63

[3] 譚宗立.中低壓缸連通管數(shù)值模擬與導(dǎo)流葉片可靠性分析[J]. 汽輪機(jī)技術(shù),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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陳陽(yáng) （1983-）， 男， 工程師， 2008 年 6 月畢業(yè)于中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所， 現(xiàn)主要從事汽輪機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)。