導流環(huán)拼焊對低壓排汽缸氣動性能影響的研究

陳陽，江生科，劉勐，魏艷

(東方汽輪機有限公司，四川 德陽，618000)

0 前言

氣動性能優(yōu)良的低壓排汽缸對大型汽輪機組增加出力、提高機組經(jīng)濟性有著十分重大的意義，而低壓排汽缸導流環(huán)的設計和制造又對低壓排汽缸氣動性能的好壞起著舉足輕重的作用。低壓排汽缸導流環(huán)通常設計成360°旋轉(zhuǎn)件，在實際生產(chǎn)中，由于制造工藝和成本的因素，排汽缸導流環(huán)的制造一般不采取整體成型方法，而是以分瓣壓制成型再拼焊的方式，這就使最終生產(chǎn)的導流環(huán)和理想設計狀態(tài)的導流環(huán)存在著一定的偏差。

國內(nèi)外相關學者和專家對低壓排汽缸的氣動性能進行了大量的研究。陳洪溪等[1]在多年試驗研究的基礎上歸納總結(jié)了大型空冷汽輪機排汽缸各種幾何形狀尺寸對缸氣動性能的影響規(guī)律，但由于排汽缸結(jié)構(gòu)復雜，文中試驗數(shù)據(jù)和結(jié)果大多是來自某些特定產(chǎn)品的試驗成果，雖然有一定的實用價值，但有些結(jié)論可能帶有一定局限性。李軍等[2]首先介紹了低壓排汽缸的基本結(jié)構(gòu)特點，然后綜述了國內(nèi)外學者對低壓排汽缸氣動設計和性能設計方面的研究進展，闡明了低壓末級葉片與排汽缸相互耦合的機理；同時文章指出，末級動葉出口旋流、頂部間隙射流、動葉尾跡以及排汽缸的幾何結(jié)構(gòu)是影響排汽缸氣動性能的主要因素。江生科等[3]對單獨低壓排汽缸以及排汽缸耦合末級葉片進行了數(shù)值研究，分析對比表明，汽輪機末級動葉出口流場的不均勻性和強烈的預旋對排汽缸氣動性能有較大影響。楊建道等[4]采用拉丁立方試驗設計、三階響應面近似模型和Hooke-Jeeves直接搜索算法的組合優(yōu)化策略，對低壓排汽缸導流環(huán)開展了非軸對稱優(yōu)化設計，優(yōu)化結(jié)果表明排汽缸的靜壓恢復系數(shù)得到了顯著提升。Derek等[5]在GE公司試驗臺上對排汽缸擴壓器以及排汽缸結(jié)構(gòu)進行了參數(shù)化試驗研究，并根據(jù)試驗結(jié)果指出了一些關鍵的幾何參數(shù)用來指導擴壓器的設計，同時文章采用自有的擴壓器設計工具對試驗結(jié)果進行了數(shù)值分析，數(shù)值分析結(jié)果與試驗結(jié)果吻合較好。

雖然針對低壓排汽缸的研究很多，但是對導流環(huán)拼焊工藝加工方式造成的實際產(chǎn)品和理想設計偏差對排汽缸氣動性能影響的研究卻鮮有報道?；诖?，本文就低壓導流環(huán)以分瓣壓制成型再拼焊對低壓排汽缸氣動性能的影響進行了分析。

1 低壓排汽缸氣動性能評判指標

評價低壓排汽缸氣動性能最常用的指標之一是排汽缸的靜壓恢復系數(shù)。本文也采用這一指標來評判導流環(huán)拼焊對低壓排汽缸性能的影響。

靜壓恢復系數(shù)ζ定義如下：

式中：p2為排汽缸出口靜壓；p1，ρ1，c1分別為排汽缸進口靜壓，進口汽流密度和進口汽流速度。

性能優(yōu)良的低壓排汽缸都會具有較高的靜壓恢復系數(shù)。較高的靜壓恢復系數(shù)一方面表明該排汽缸能夠使末級動葉排汽余速部分轉(zhuǎn)變成為靜壓，補償排汽缸中的壓力損失，降低排汽缸的總能量損失，另一方面也表明排汽缸的設計能降低末級動葉出口實際背壓，從而提高機組出力，降低機組熱耗。

2 拼焊弧段數(shù)對氣動性能的影響

圖1是拼焊導流環(huán)的實物圖。從實物圖來看，一方面拼焊導流環(huán)各拼焊弧段在交接處存在著幾何上的“不光滑”，另一方面各拼焊弧段相交處的焊縫又以各種不規(guī)則的形態(tài)少量突出導流環(huán)導流面。

圖1 拼焊導流環(huán)

拼焊后的導流環(huán)在垂直于軸向的橫截面上采用了外切多邊形來逼近理想導流環(huán)整圓，采用不同拼焊弧段時的效果如圖2所示。一方面，拼焊弧段數(shù)量越多，拼焊后的導流環(huán)型線越逼近理想導流環(huán)型線；另一方面，對于相同的拼焊弧段數(shù)，導流環(huán)進口直徑越大 （即末級動葉頂徑越大），拼焊后導流環(huán)越偏離理想導流環(huán)型線，此時為了更好地逼近理想導流環(huán)則須進一步增加拼焊弧段數(shù)。然而這僅是從宏觀趨勢上進行的模糊分析，不同弧段數(shù)量的拼焊導流環(huán)對排汽缸性能的量化分析必須借助CFD三維數(shù)值模擬。

圖2 不同拼焊弧段效果圖

2.1 幾何模型及數(shù)值方法

為了量化分析拼焊弧段數(shù)對排汽缸氣動性能的影響，本文針對某1000 MW等級機組理想簡化模型以及分別采用18段、16段、12段、10段、8段拼焊導流環(huán)的低壓排汽缸進行了分析計算。

圖3是分析過程中所采用的理想簡化排汽缸模型。該簡化模型基于整個低壓缸電機側(cè)和汽機側(cè)的對稱性僅考慮了一側(cè)進行建模，同時模型忽略了低壓排汽缸中常見的一些筋板、撐管等，模型中導流環(huán)特征在三維建模中采用360°的完整旋轉(zhuǎn)特征。

圖3 理想簡化排汽缸模型

圖4分別給出了拼焊導流環(huán)弧段數(shù)為18段、12段和8段時的排汽缸三維幾何模型。該簡化模型同樣僅為整個低壓缸的1/2，且忽略了低壓排汽缸中常見的一些筋板、撐管等，導流環(huán)特征在三維建模時采用全周陣列的方式生成拼焊導流環(huán)。對于采用其它弧段數(shù)拼焊導流環(huán)的低壓排汽缸按類似方式建立幾何模型。

圖4 采用拼焊導流環(huán)的排汽缸模型

上面所有模型均采用ANSYS進行非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分所采用的參數(shù)按照公司現(xiàn)行相應規(guī)范進行。所有三維氣動分析采用商用軟件ANSYS/CFX完成。在邊界設置上，由于計算對象僅為1/2低壓缸，因此邊界中除了設置進口和出口外，還相應設置有對稱面，其余壁面均為固體無滑移壁面。計算中采用的工質(zhì)為IF97水蒸汽，湍流模型選取SST模型，具體的邊界條件設置見表1。其中排汽缸進口處的平均汽流角度取自末級動葉出口平均汽流角度，出口處的平均背壓為冷凝器喉部平均壓力。

表1 計算邊界條件

2.2 計算結(jié)果與分析

表2匯總了上面所介紹的各模型計算結(jié)果，表中所有靜壓恢復系數(shù)均以理想模型靜壓恢復系數(shù)為基準進行了歸一化處理。

由于上面各個簡化模型都略去了低壓排汽缸中常見的一些筋板、撐管等結(jié)構(gòu)，因此各模型氣動性能上的差異完全是由于拼焊段數(shù)引起的。

表2 各計算模型靜壓恢復系數(shù)匯總表

從表2可以看出，隨著拼焊弧段數(shù)量減少，排汽缸靜壓恢復系數(shù)逐漸減小，當從18段減少到8段時，靜壓恢復系數(shù)降低了約41%。圖5和圖6分別給出了采用8段拼焊弧段導流環(huán)的排汽缸和采用18段拼焊弧段導流環(huán)的排汽缸在靠近天地向中分面且位于弧段交接處剖截面上的流場情況。其中，最左側(cè)圖示給出了剖截面所處的位置，中間圖示給出了該剖截面二維流線圖，右側(cè)圖示給出了該剖截面總壓損失系數(shù)分布云圖。由于拼焊弧段數(shù)的不同，兩模型所示特征截面的絕對位置略有不同，但基本可以忽略截面位置的影響。

剖截面上總壓損失系數(shù)Cp0loss的定義如下：

式中：P0,in為排汽缸進口總壓；P0為排汽缸流場中的當?shù)乜倝骸?/p>

總壓損失系數(shù)代表著能量損失，該系數(shù)較小的地方表示能量損失較小，流動情況較好，反之則表明流動情況較差。

圖5 8段拼焊弧段導流環(huán)排汽缸特征截面流場

圖6 18段拼焊弧段排汽缸特征截面流場

比較圖5和圖6，從截面二維流線來看，8段拼焊弧段的導流環(huán)處存在著明顯脫流，18段拼焊弧段的導流環(huán)處也存在著少許脫流現(xiàn)象，但脫流比8段拼焊弧段的導流環(huán)有較大改善；而從總壓損失云圖來看，與圖6相比，圖5中8段拼焊弧段的導流環(huán)附近以及整個截面下半部分都明顯存在著較大損失。另外，由于拼焊導流環(huán)弧段在圓周方向上存在周期性對稱，所以在其它一些類似特征截面上，也會存在類似圖5和圖6的現(xiàn)象。由此也可以推斷，拼焊導流環(huán)在圓周方向幾何上的 “不光滑”是導致排汽缸性能下降的重要原因之一。

圖7是根據(jù)表2得到的排汽缸靜壓恢復系數(shù)隨拼焊弧段數(shù)的變化圖。

圖7 排汽缸靜壓恢復系數(shù)與拼焊弧段數(shù)變化圖

綜合表2和圖7來看，如果認為理想模型拼焊弧段數(shù)為無窮多，那么一方面拼焊弧段數(shù)在從8段依次增加到16段的過程中，靜壓恢復系數(shù)將近似直線增加，另一方面，可以推測，當拼焊弧段數(shù)從16段增加到無窮多段時，靜壓恢復系數(shù)將緩慢逼近極限理想狀態(tài) （拼焊弧段從16段增加到18段時，靜壓恢復系數(shù)雖在增加，但增加的趨勢已經(jīng)明顯減緩）。

上面曾提到，拼焊導流環(huán)與理想導流環(huán)對氣動性能影響的差異與導流環(huán)進口直徑大小相關，或者也可以說是與排汽缸宏觀大尺寸相關，所以表2和圖7中所列出的靜壓恢復系數(shù)與具體弧段數(shù)的關系并不具有廣泛的代表性，然而表2和圖7所反映出的兩者變化趨勢是有廣泛代表性的。

綜合以上分析，拼焊弧段數(shù)與靜壓恢復系數(shù)的關系趨勢可用圖8來表示?？梢哉J為對于每一個特定的排汽缸，都存在一個確定的臨界拼焊弧段數(shù) （例如，對于上文所模擬的低壓排汽缸，可以認為該臨界拼焊弧段數(shù)為16）。當拼焊弧段數(shù)小于臨界值時，增加拼焊弧段數(shù)將明顯提升排汽缸靜壓恢復系數(shù)，而當拼焊弧段數(shù)大于臨界值，再增加拼焊弧段數(shù)時，排汽缸靜壓恢復系數(shù)的提升將十分緩慢，而過多的拼焊弧段數(shù)也將使制造成本大幅增加。同時，臨界拼焊弧段數(shù)因缸而異，它的取值又與具體排汽缸的宏觀大尺寸息息相關。從本文算例來看，從氣動性上考慮，對于一般的百萬機組低壓排汽缸，建議拼焊焊弧段數(shù)選定在16段及以上。

圖8 拼焊弧段數(shù)與靜壓恢復系數(shù)的趨勢圖

3 拼焊導流環(huán)焊縫對氣動性能的影響

上文就拼焊導流環(huán)不同弧段數(shù)對低壓排汽缸氣動性能的影響進行了分析。導流環(huán)采用拼焊方式成型，就勢必有焊縫存在，一般而言，對接焊縫封焊完成后，熔焊金屬以凸起形式存在 （又稱焊縫余高），對于拼焊導流環(huán)來說，焊縫余高在汽道側(cè)會對低壓排汽缸的氣動性能產(chǎn)生負面影響，為了定量說明問題，本節(jié)對導流環(huán)汽道側(cè)焊縫在固定余高的情況下對排汽缸性能的影響進行了CFD三維數(shù)值計算和分析。

3.1 幾何模型及數(shù)值方法

本文分別針對8條、10條、12條和18條焊縫的排汽缸進行了計算分析 （圖3中理想簡化模型可以認為是0條焊縫模型）。圖9給出了具有10條焊縫排汽缸的幾何模型。該類模型是在圖3理想簡化模型基礎上僅增加若干條焊縫而形成的。由于模型中導流環(huán)是理想的360°完整旋轉(zhuǎn)導流環(huán)，同時忽略了排汽缸中的其它幾何結(jié)構(gòu)，所以保證了該類模型之間氣動差異僅是由焊縫引起的。各模型中，每條焊縫由嵌在導流環(huán)正面沿導流環(huán)徑向延伸的圓管模擬。在模擬中每根圓管直徑取10 mm，并使圓管外半圓突出導流環(huán)表面 （即假設焊縫突出導流環(huán)表面5 mm）。

圖9 焊縫模擬示意圖

該部分所有模型仍采用ANSYS進行非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，所有三維氣動分析仍采用商用軟件ANSYS/CFX完成，所有網(wǎng)格劃分以及計算設置與上小節(jié)介紹的數(shù)值方法完全相同。

3.2 計算結(jié)果與分析

表3給出了針對不同焊縫條數(shù)計算得到的靜壓恢復系數(shù)。圖10和圖11分別給出了0條焊縫和10條焊縫排汽缸在特征截面上的流場情況。兩排汽缸特征截面在排汽缸上的絕對位置完全相同，氣動性能上不存在位置差異的影響。從流線上看，當導流環(huán)上無焊縫時，截面二維流動在導流環(huán)表面不存在脫流現(xiàn)象，但增加焊縫后，導流環(huán)表面出現(xiàn)了脫流現(xiàn)象，這說明焊縫余高的確對排汽缸的流場產(chǎn)生了不良影響。而從截面總壓損失系數(shù)來看，焊縫存在也的確增加了導流環(huán)表面附近流動的損失。

表3 不同焊縫條數(shù)下排汽缸的靜壓恢復系數(shù)

圖10 0條焊縫排汽缸特征截面流場

圖11 10條焊縫排汽缸特征截面流場

圖12是根據(jù)表3得到的焊縫數(shù)量與排汽缸靜壓恢復系數(shù)的關系圖。結(jié)合圖12以及表3，可以看到，焊縫從8條增加到18條的過程中，排汽缸靜壓恢復系數(shù)接近線性地依次降低，但降低的總體幅度十分有限，然而，8條焊縫與0條焊縫相比在靜壓恢復系數(shù)上仍下降了約14%。從這里的分析來看，焊縫的存在對排汽缸氣動性能存在著負面影響，但這種影響似乎不大，而且相比之下，焊縫所帶來的負面影響要遠小于拼焊弧段數(shù)給排汽缸性能所帶來的負面影響。

圖12 焊縫數(shù)量與靜壓恢復系數(shù)的關系

上文焊縫數(shù)量對排汽缸性能的研究是基于設計工況的，當汽輪機組處于其它變工況時，末級動葉排汽角度會發(fā)生改變 （即排汽缸平均進口氣流角發(fā)生改變），表4給出了僅更改排汽缸平均進口氣流角度時排汽缸的性能統(tǒng)計 （以理想模型85.67°氣流角時靜壓恢復系數(shù)為基準進行歸一化處理）。

表4 排汽缸變工況時焊縫對缸性能影響

在表4中，10條焊縫下排汽缸靜壓恢復系數(shù)在兩種平均進口氣流角度下的差異甚微，但是當焊縫數(shù)量增加到18條時，這種差異也隨之增大。所以通常在設計工況下雖然焊縫數(shù)量對排汽缸性能影響甚微，但是在變工況下焊縫數(shù)量對排汽缸的性能可能會帶來一定的影響。

導流環(huán)汽道側(cè)凸起的焊縫對低壓排汽缸氣動性能會產(chǎn)生負面影響，建議在實際工程設計和制造中能將導流環(huán)焊縫位置放在導流環(huán)背面。

4 拼焊導流環(huán)工程實際排汽缸的氣動驗證

上文對拼焊導流環(huán)拼焊段數(shù) （不考慮余高）以及焊縫數(shù)量 （考慮余高）對排汽缸氣動性能的影響分別進行了單獨分析，為了孤立它們各自的影響不僅采用了360°完整導流環(huán)而且忽略了排汽缸中的許多筋板撐桿等結(jié)構(gòu)。下面在設計工況下針對某工程 （660 MW等級機組）實際應用中的低壓排汽缸進行一系列驗證計算。

圖13是某工程（660 MW等級機組）實際應用的排汽缸同時考慮拼焊弧段數(shù)以及相應焊縫余高時的假想幾何模型。該系列模型充分考慮了導流環(huán)上工程實際中的若干切割以及排汽缸中存在的若干筋板撐桿等，另外，該缸各個方向上的宏觀尺寸已經(jīng)遠小于文章前面論述中所采用的排汽缸（1000 MW等級機組）尺寸。

圖13 實際排汽缸的假想幾何模型

表5分別給出了各模型在設計工況下計算得到的一系列靜壓恢復系數(shù)。表中靜壓恢復系數(shù)采用理想旋壓導流環(huán)模型的排汽缸靜壓恢復系數(shù)為基準進行了歸一化處理。

表5 各模型的靜壓恢復系數(shù)表

從表5來看，在實際工程中采用拼焊導流環(huán)來代替理想旋壓導流環(huán)時，根據(jù)具體拼焊情況，排汽缸的氣動性能都會不同程度地受到影響 （表5中拼焊對靜壓恢復系數(shù)的影響范圍在3%～56%）；但是如果能夠設法消除焊縫的不利影響 （比如將焊縫移動到導流環(huán)背面），同時采用足夠多拼焊弧段的導流環(huán) （拼焊弧段數(shù)量與排汽缸的大小有關）是能夠無限接近理想旋壓導流環(huán)性能的，但這可能會引發(fā)較高的成本。另外，從該排汽缸的氣動分析來看，建議該排汽缸采用不少于12段的拼焊弧段。

5 結(jié)論

本文采用某1000 MW等級機組簡化的低壓排汽缸模型，分別研究了拼焊導流環(huán)拼焊弧段數(shù)量以及焊縫數(shù)量對低壓排汽缸氣動性能的影響，同時針對某工程實際應用的660 MW等級機組低壓排汽缸驗證計算了不同拼焊情況下低壓排汽缸的氣動性能。

計算和分析結(jié)果表明：對于特定的低壓排汽缸，存在著一個確定的臨界拼焊弧段數(shù)，當拼焊弧段數(shù)小于臨界值時，增加拼焊弧段數(shù)能夠近似線性地提升排汽缸靜壓恢復系數(shù)，當拼焊弧段數(shù)大于臨界值后，低壓排汽缸靜壓恢復系數(shù)的提升幅度減小，并基本接近理想值。但需要指出的是，臨界拼焊弧段數(shù)的取值與具體低壓排汽缸的宏觀大尺寸相關；焊縫余高對低壓排汽缸性能有負面影響，它的存在降低了排汽缸靜壓恢復系數(shù)，特別是在變工況時影響較大。根據(jù)文中的分析計算，對采用拼焊導流環(huán)的機組，綜合考慮拼焊弧段數(shù)以及焊縫余高的影響，對于1000 MW等級機組建議導流環(huán)拼焊弧段數(shù)不少于16段，對于660 MW等級機組建議導流環(huán)拼焊弧段數(shù)不少于12段。

在工程實際應用中，隨著導流環(huán)拼焊段數(shù)的增加，排汽缸靜壓恢復系數(shù)逐步接近理想值，但會增加制造成本。為獲得最佳排汽缸氣動性能，在滿足工藝和成本控制的要求下，應優(yōu)先選用分段旋壓導流環(huán)，旋壓成型后再進行拼焊，且封焊位置 （凸起部分）應避免設置在導流環(huán)汽道側(cè)。

[1]陳洪溪,薛沐睿.大型空冷汽輪機低壓排汽缸幾何尺寸對氣動性能的影響[J].動力工程,2003,23(6):2740-2743.

[2]李軍,李志剛,晏鑫,等.汽輪機排汽缸性能分析和氣動設計的研究進展[J].熱力透平,2013,42(1):1-8.

[3]江生科,彭英杰.大型汽輪機低壓排汽缸氣動分析研究[J].東方汽輪機,2014,(2):1-4,10.

[4]楊建道,陳濤文,宋立明,等.低壓排汽缸氣動優(yōu)化設計[J].西安交通大學學報,2015,49(3):19-24.

[5]Derek T,Gurnam S,Phil H,et al.Parametric Experimental and Numerical Study of LP Diffuser and Exhaust Hoods.ASME PAPER:GT 2016-56640.