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[摘 要]凝汽式汽轮机在工业驱动及电站中有着广泛的应用，为节省能耗、提高经济性，人们一直在努力提高汽轮机的效率。排汽缸是连接凝汽式汽轮机末级出口至冷凝器的通道，主要作用是把低壓缸末级叶栅出口的余速动能转化为压力能，在冷凝器真空度给定的条件下，降低末级叶栅出口截面处的静压，可增加汽轮机的配置焓降，提高汽轮机组的热效率。
[关键词]汽轮机；排汽缸；气动设计；数值分析；
中图分类号：TK263 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）39-0121-01
一、排汽缸设计原则
为了满足刚度需要在排汽缸内设计、安装有筋板和撑管。静压恢复主要在排汽缸的扩压器导流环中完成，还有一部分在排汽缸的蜗壳中完成。蒸汽在这种结构的排汽缸的流动是先轴向，然后再径向向下流向凝汽器。排汽缸的气动性能采用总压损失系数和静压恢复系数来衡量，定义如下。
总损失系数：
静压恢复系数：
式中：P1t为进口总压；P1为进口静压；P2为出口静压；ρ1为进口汽流密度；v1为进口汽流速度。大功率汽轮机低压排汽缸设计在保证排汽缸具有足够刚度的前提下，应使排汽缸具有尽可能高的静压恢复能力或者尽可能低的总压损失。对大型空冷汽轮机低压排汽缸几何结构尺寸以及对其气动性能的影响开展了研究工作，指出了排汽缸的轴向尺寸、环形扩压器形状尺寸、蜗壳横向宽度及蜗壳上半缸形状尺寸的优化原则。
1.扩压器气动设计。扩压器内流动损失的增加主要是由扩压器内的逆向压力梯度造成的流动分离引起的。为了避免扩压器内流动分离的产生，在扩压器的设计中采取了以下技术措施：（1）通过增加扩压段进口汽流紊流度或者在扩压段流场分离区之前安装局部柱形扰流结构，改变局部位置处流场的时均速度和紊流度，以达到延迟分离的目的；（2）在扩压器端壁开槽，安装附面层抽吸或吹扫装置以控制内流附面层。此外，还可通过在扩压器内部安装导流环来抑制流动分离。综合国内外有关汽轮机低压排汽缸的理论和实验方面的研究结果，给出了汽轮机中扩压器的基本设计原则，即扩散时少转弯、转弯时少扩散。扩压器的关键几何结构参数包括扩压器内外导流环的长度L1和L2、扩压器的外径Ф、扩压器内外导流环的半径r1和r2、扩压器的出口宽度b、扩压器内外导流环的起始扩张角α1和α2。扩压器子午流道的形状主要有直线型、折线型和曲线型。由于大功率汽轮机低压排汽缸的轴向尺寸受到限制，需要增加或者利用扩压器的径向扩压段来提高排汽缸的气动性能。在结构允许的条件下，扩压器外径Ф的适当增加对提高排汽缸的静压恢复系数有利。在扩压器进口尺寸和长度确定时，扩压器的出口宽度b存在最佳值。出口宽度太大会导致扩压器在扩压流动过程中形成分离流动。扩压器进口宽度与扩压器长度在1.0～6.0范围时，扩压器出口宽度与进口宽度的比值一般在0.5～1.5范围内确定。扩压器的子午流道包括轴向扩压段、转弯段和径向扩压段。在扩压器的长度、出口宽度和外径确定之后，扩压器内外导流环的起始扩张角若选择小的话会导致扩压器的面积扩散比小从而降低其扩压能力，过大则会导致流动沿外环分离。
2.蜗壳气动设计。排汽缸蜗壳的主要几何尺寸是排汽缸的上半部分高度Hh、水平中分面宽度Bc以及扩压器出口截面与蜗壳上半汽缸壁的间隙h。蜗壳尺寸过小会导致蒸汽流在流动过程中加速，从而降低排汽缸的静压恢复能力；蜗壳尺寸过大则会造成排汽缸刚性差、重量大和加工运输困难。蒸汽流在蜗壳中流动时，流量从上到下逐渐增加的特性要求蜗壳后壁面上半部具有一定的斜度。水平中分面宽度Bc对排汽缸的气动性能具有关键作用。在大量实验研究的基础上，最佳蜗壳水平中分面宽度应满足经验公式：
扩压器几何尺寸确定之后，蜗壳上半部分高度主要取决于扩压器出口截面与蜗壳上半部分壁面的间隙。一般间隙h与扩压器出口宽度b的数值相当于或小于扩压器出口宽度。因此，可以确定蜗壳上半部分高度：
二、排汽缸气动性能分析研究进展
在实际运行情况下，透平末级出口流场的旋流和不均匀总压分布会影响排汽系统内的流场及其气动性能。同时，非轴对称排汽系统也会在透平末级出口位置处产生不均匀的压力场，影响透平叶栅内部流场和气动性能。因此，高性能的排汽系统设计应该考虑透平和排汽系统流场之间的相互作用。排汽缸的流场结构和气动性能的研究方法主要包括全尺寸实验、模型试验、数值模拟和理论分析相互结合的方式。全尺寸实验是在真实的汽轮机和排汽系统上开展性能试验；模型试验是将排汽系统按比例制成模型，根据相似理论将模型上的测量数据转化为实际机组的相关数据；模型试验是研究机理和规律的有效方法。而新近发展的三维数值模拟技术在排汽缸流场结构、气动性能分析以及优化设计方面发挥了巨大作用。汽轮机排汽缸内汽流流动的主要形式通常被归结为旋涡运动，被认为是排汽系统气动损失的主要来源。将排汽蜗壳内的旋涡定义为通道涡、二次涡、分离涡和出口涡，认为排汽蜗壳内的通道涡是产生总压损失的主要因素。在全尺寸实验研究中发现，在排汽系统前安装不同的透平会改变排汽系统性能和流场的周向分布。进行了一系列流量下的全尺寸实验，试验结果表明：随着流量由最大值逐渐减小，扩压器入口气流角增大、顶部静压增大、根部静压减小，透平根部出现流动分离。以相似理论为依据，对排汽缸进行了模型试验。对空冷300 MW低压排汽缸进行了吹风试验研究，分析了影响排汽缸气动性能的关键几何参数。研究结果表明：在排汽缸轴向尺寸一定的条件下，可以通过增加扩压器直径、优化扩压器内壁型线等方法使低压排汽缸的损失减小。
三、排汽缸气动设计研究进展
为了进一步提高排汽缸的气动性能，国内外研究人员采用数值模拟和优化设计方法对排汽缸的扩压器型线进行了优化设计。国外研究者测量了某汽轮机末级透平出口的速度分布，发现透平出口叶顶处为超音速流动，叶根处为低速流动。针对这种速度分布特点，他们提出了一种具有负超高结构的扩压器，其通流高度小于末级透平叶片高度。与常规扩压器和无扩压器结构的排汽系统相比，负超高扩压器使排汽系统的损失系数降低很多。应用Alstom公司的in-houseExhaust Design System（EDS）对某型排汽缸中的扩压器进行了重新设计，EDS系统可模拟末级叶片和排汽缸耦合的三维流动，用实验方法验证了EDS系统的准确、可靠性。在应用EDS对排汽缸中的扩压器重新设计时，首先通过仔细控制扩压器外环型线的转角位置，对轴对称的扩压器的子午面型线进行了重新设计。重新设计后，扩压器外环直径的增加，相比于原排汽缸，使扩压器外环与排汽缸外壳之间的流动间隙减小，在扩压器上半部分的一部分区域出现了流动堵塞。通过对重新设计后的外环周向进行改变，即对上半部外环进行了部分回切，形成了非轴对称扩压器，并对其性能进行了数值模拟。结果表明：周向回切后的扩压器改善了扩压器内的三维流动特性，并且使排汽缸和扩压器的气动性能最大化。
国内外在排汽缸研究方面的进展和结果，需要充分考虑通流结构和排汽缸间的相互作用，深刻理解和掌握排汽缸的损失机理和影响因素，为高性能排汽缸设计提供理论基础和技术支持。
参考文献
[1]李平.现代大功率汽轮机排汽缸的气动性能.2016.
[2]杨林森.汽轮机低压排汽缸气动性能分析和结构改进设计.2016.
[关键词]汽轮机；排汽缸；气动设计；数值分析；
中图分类号：TK263 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）39-0121-01
一、排汽缸设计原则
为了满足刚度需要在排汽缸内设计、安装有筋板和撑管。静压恢复主要在排汽缸的扩压器导流环中完成，还有一部分在排汽缸的蜗壳中完成。蒸汽在这种结构的排汽缸的流动是先轴向，然后再径向向下流向凝汽器。排汽缸的气动性能采用总压损失系数和静压恢复系数来衡量，定义如下。
总损失系数：
静压恢复系数：
式中：P1t为进口总压；P1为进口静压；P2为出口静压；ρ1为进口汽流密度；v1为进口汽流速度。大功率汽轮机低压排汽缸设计在保证排汽缸具有足够刚度的前提下，应使排汽缸具有尽可能高的静压恢复能力或者尽可能低的总压损失。对大型空冷汽轮机低压排汽缸几何结构尺寸以及对其气动性能的影响开展了研究工作，指出了排汽缸的轴向尺寸、环形扩压器形状尺寸、蜗壳横向宽度及蜗壳上半缸形状尺寸的优化原则。
1.扩压器气动设计。扩压器内流动损失的增加主要是由扩压器内的逆向压力梯度造成的流动分离引起的。为了避免扩压器内流动分离的产生，在扩压器的设计中采取了以下技术措施：（1）通过增加扩压段进口汽流紊流度或者在扩压段流场分离区之前安装局部柱形扰流结构，改变局部位置处流场的时均速度和紊流度，以达到延迟分离的目的；（2）在扩压器端壁开槽，安装附面层抽吸或吹扫装置以控制内流附面层。此外，还可通过在扩压器内部安装导流环来抑制流动分离。综合国内外有关汽轮机低压排汽缸的理论和实验方面的研究结果，给出了汽轮机中扩压器的基本设计原则，即扩散时少转弯、转弯时少扩散。扩压器的关键几何结构参数包括扩压器内外导流环的长度L1和L2、扩压器的外径Ф、扩压器内外导流环的半径r1和r2、扩压器的出口宽度b、扩压器内外导流环的起始扩张角α1和α2。扩压器子午流道的形状主要有直线型、折线型和曲线型。由于大功率汽轮机低压排汽缸的轴向尺寸受到限制，需要增加或者利用扩压器的径向扩压段来提高排汽缸的气动性能。在结构允许的条件下，扩压器外径Ф的适当增加对提高排汽缸的静压恢复系数有利。在扩压器进口尺寸和长度确定时，扩压器的出口宽度b存在最佳值。出口宽度太大会导致扩压器在扩压流动过程中形成分离流动。扩压器进口宽度与扩压器长度在1.0～6.0范围时，扩压器出口宽度与进口宽度的比值一般在0.5～1.5范围内确定。扩压器的子午流道包括轴向扩压段、转弯段和径向扩压段。在扩压器的长度、出口宽度和外径确定之后，扩压器内外导流环的起始扩张角若选择小的话会导致扩压器的面积扩散比小从而降低其扩压能力，过大则会导致流动沿外环分离。
2.蜗壳气动设计。排汽缸蜗壳的主要几何尺寸是排汽缸的上半部分高度Hh、水平中分面宽度Bc以及扩压器出口截面与蜗壳上半汽缸壁的间隙h。蜗壳尺寸过小会导致蒸汽流在流动过程中加速，从而降低排汽缸的静压恢复能力；蜗壳尺寸过大则会造成排汽缸刚性差、重量大和加工运输困难。蒸汽流在蜗壳中流动时，流量从上到下逐渐增加的特性要求蜗壳后壁面上半部具有一定的斜度。水平中分面宽度Bc对排汽缸的气动性能具有关键作用。在大量实验研究的基础上，最佳蜗壳水平中分面宽度应满足经验公式：
扩压器几何尺寸确定之后，蜗壳上半部分高度主要取决于扩压器出口截面与蜗壳上半部分壁面的间隙。一般间隙h与扩压器出口宽度b的数值相当于或小于扩压器出口宽度。因此，可以确定蜗壳上半部分高度：
二、排汽缸气动性能分析研究进展
在实际运行情况下，透平末级出口流场的旋流和不均匀总压分布会影响排汽系统内的流场及其气动性能。同时，非轴对称排汽系统也会在透平末级出口位置处产生不均匀的压力场，影响透平叶栅内部流场和气动性能。因此，高性能的排汽系统设计应该考虑透平和排汽系统流场之间的相互作用。排汽缸的流场结构和气动性能的研究方法主要包括全尺寸实验、模型试验、数值模拟和理论分析相互结合的方式。全尺寸实验是在真实的汽轮机和排汽系统上开展性能试验；模型试验是将排汽系统按比例制成模型，根据相似理论将模型上的测量数据转化为实际机组的相关数据；模型试验是研究机理和规律的有效方法。而新近发展的三维数值模拟技术在排汽缸流场结构、气动性能分析以及优化设计方面发挥了巨大作用。汽轮机排汽缸内汽流流动的主要形式通常被归结为旋涡运动，被认为是排汽系统气动损失的主要来源。将排汽蜗壳内的旋涡定义为通道涡、二次涡、分离涡和出口涡，认为排汽蜗壳内的通道涡是产生总压损失的主要因素。在全尺寸实验研究中发现，在排汽系统前安装不同的透平会改变排汽系统性能和流场的周向分布。进行了一系列流量下的全尺寸实验，试验结果表明：随着流量由最大值逐渐减小，扩压器入口气流角增大、顶部静压增大、根部静压减小，透平根部出现流动分离。以相似理论为依据，对排汽缸进行了模型试验。对空冷300 MW低压排汽缸进行了吹风试验研究，分析了影响排汽缸气动性能的关键几何参数。研究结果表明：在排汽缸轴向尺寸一定的条件下，可以通过增加扩压器直径、优化扩压器内壁型线等方法使低压排汽缸的损失减小。
三、排汽缸气动设计研究进展
为了进一步提高排汽缸的气动性能，国内外研究人员采用数值模拟和优化设计方法对排汽缸的扩压器型线进行了优化设计。国外研究者测量了某汽轮机末级透平出口的速度分布，发现透平出口叶顶处为超音速流动，叶根处为低速流动。针对这种速度分布特点，他们提出了一种具有负超高结构的扩压器，其通流高度小于末级透平叶片高度。与常规扩压器和无扩压器结构的排汽系统相比，负超高扩压器使排汽系统的损失系数降低很多。应用Alstom公司的in-houseExhaust Design System（EDS）对某型排汽缸中的扩压器进行了重新设计，EDS系统可模拟末级叶片和排汽缸耦合的三维流动，用实验方法验证了EDS系统的准确、可靠性。在应用EDS对排汽缸中的扩压器重新设计时，首先通过仔细控制扩压器外环型线的转角位置，对轴对称的扩压器的子午面型线进行了重新设计。重新设计后，扩压器外环直径的增加，相比于原排汽缸，使扩压器外环与排汽缸外壳之间的流动间隙减小，在扩压器上半部分的一部分区域出现了流动堵塞。通过对重新设计后的外环周向进行改变，即对上半部外环进行了部分回切，形成了非轴对称扩压器，并对其性能进行了数值模拟。结果表明：周向回切后的扩压器改善了扩压器内的三维流动特性，并且使排汽缸和扩压器的气动性能最大化。
国内外在排汽缸研究方面的进展和结果，需要充分考虑通流结构和排汽缸间的相互作用，深刻理解和掌握排汽缸的损失机理和影响因素，为高性能排汽缸设计提供理论基础和技术支持。
参考文献
[1]李平.现代大功率汽轮机排汽缸的气动性能.2016.
[2]杨林森.汽轮机低压排汽缸气动性能分析和结构改进设计.2016.