低压蒸汽透平排汽缸内能量损失的数值研究

    蒸汽透平的排汽缸是将末级动叶排出的蒸汽引入冷凝器的气流通道,其复杂的几何形状使气流经历了由轴向到径向的90°折转,产生强烈的周向和径向压力梯度,形成大尺度的旋涡,从而导致排汽缸内的能量损失增加,压力恢复能力降低.排气缸压力恢复能力的下降,意味着末级动叶的出口背压增高,整个蒸汽透平的做功能力下降[1].因此,要提高蒸汽透平的工作效率,透彻地认识排气缸内三维流动的细节、并将其纳入整个透平的一体化设计中是非常重要的.

    然而,由于排气缸内的流动极其复杂,国内、外在这方面的研究进行得不很充分,还不能为改进设计提供详细的参考依据.在中国、比利时政府间科技合作协议的支持下,中科院工程热物理所同布鲁塞尔自由大学合作进行汽轮机内部三维粘性流动的实验和数值模拟研究,排汽缸内的流动是研究的内容之一.

    本文就其中主要内容进行报告,详细结果参见文献[2].

    1　实验台及算例介绍

    有关排汽缸实验台设计和实验结果的详细报告请参见文献[3],下面仅给出实验台的简介.实验件的尺度是产品的1/15,安装在风洞平直段末端.实验时,排气缸入口平均气流速度约62m/s,以环形通道半径为特征尺寸的雷诺数为2.7×105,实验工质为空气.

    实验测得到的数椐包括:在导流环入口截面上游约250mm处的平直段入口处的总压和静压分布;在排汽缸内部,内、外导流环和盖板壁面上静压分布;在导流环入口截面、出口截面和排汽缸出口截面上的总压和静压.图1所示为半个排汽缸(关于y-z面对称)上的测点分布,包括导流环入口GI1~GI3,导流环出口GO1~GO3,内导流环壁面I_G1~I_G4,外导流环壁面O_G1~O_G3,盖板H₁~H₅和排汽缸出口O₁~O₃,以及3个显示计算结果的截面:C₁,C₃和O.

    2 计算方法

    数值模拟工作使用NUMECA的三维雷诺平均N-S方程求解软件Fine/Turbo,计算中使用Jameson的中心差分格式,二阶人工粘性系数为0,四阶人工粘性系数为0.1.采用四阶Runge-Kutta法进行时间推进,同时为了加快时间推进速度,使用了多层网格法和隐式残差平均技术.由于实验气流的流速比较低,计算中采用了预处理(precon-ditioning)矩阵以克服由于流体的不可压性带来的刚性问题.计算采用的是Yang-Shih的低雷诺数k-ε湍流模型,总网格点数约为7×10⁵.

    3　计算结果分析

    数值计算结果将同实验结果进行对比,包括静压恢复系数、总压损失系数和速度.静压恢复系数Cp和总压损失系数Cpt的定义分别为

式中,pt为总压,p为静压,下标‘0’代表导流环入口界面上游约250mm处的风洞平直段入口处值.速度均用排气缸入口处的平均气流速度(62m/s)无量纲化.