一种稳流装置及稳流装置的设计方法与流程

文档序号:15578914发布日期:2018-09-29 06:19

本发明涉及工业汽轮机侧向冷凝器技术领域,尤其涉及一种稳流装置及稳流装置的设计方法。



背景技术:

目前,冷凝器是汽轮机的低温热源,是一种大型表面冷凝式换热器。侧向冷凝器是指汽轮机轴向排汽时,与之直接相连接的冷凝器,此时冷凝表现为侧向进气,如图1所示。

冷却管的振动破坏事故,一直是凝汽器运行中的一大问题。冷却管发生振动破坏的外在原因有两个:(1)冷凝管固有频率与汽轮机转速接近,使冷凝管发生共振;(2)高速汽流的激振作用,使冷却管产生过大的振幅。侧向冷凝器进汽口处,换热管发生断裂,初步判断为换热管受蒸汽流激发,引起振动。侧向排汽汽轮机的特点是,做完功后的蒸汽从汽轮机的轴端直接排向冷凝器,从汽轮机出口至冷凝器的距离通常只有几米;排汽速度高、距离短,又有轴承座的阻挡,使得进入冷凝器的蒸汽流动十分复杂,为了弄清冷凝器进口流场的特点,采用计算机流体力学方法仔细地分析排汽管内的流场。

由于汽机轴承座的阻挡作用,排汽管中心出现一个低速旋涡区域。低速区域回流严重,高速区与低速区有明显的分界线,中心速度低,外环速度高,如图2和图3所示,高流速与中心旋涡区之间的过渡区域十分狭小,致使此区A流速梯度大,过渡区域的流场是很不稳定的,这种不稳定性表现为引起管束振动。图4为蒸汽进入冷凝器前的参考截面,其流速分布同样反映出中心旋涡所引起的速度梯度问题。

管束发生激振须满足两个条件:(1)必须有能量源源不断的补充给换热管,振动的能量来自蒸汽的动能,故流速高的区域易产生振动;(2)换热管不断地受到激励,形成激励的原因很多,一般认为中心区的旋涡是形成振动的一种激励源。中心旋涡区是一个不稳定的区域,特别与高速汽流交界面上(边界区域)。中心区域的旋涡在转动过程中,会造成边界区域的流动速度极不稳定,不稳定的蒸汽流反复冲刷相应区域的管束,形成激励源,进而引起排汽管的破坏。



技术实现要素:

为了克服现有技术的不足,本发明的目的在于提供一种稳流装置及稳流装置的设计方法,以将气流引向中心区域,改善气流流场分布,消除不稳定的旋涡区,从而减轻蒸汽对管束的激励作用,进而达到消减管束振动的作用。

本发明的目的采用如下技术方案实现:

根据本发明的一个实施例,提供一种稳流装置,所述稳流装置的框架设置在后排气管轴承座和冷凝器之间,且与所述后排气管轴承座接触,包括:框架,所述框架的内侧固定在排汽管的内壁上,所述框架的外侧抵靠后排汽管轴承座,所述框架包括至少一个支架,所述支架包括沿所述框架的周向等角度间隔布置的多个支撑杆;多个第一导流板,每个所述第一导流板安装在每个所述支架的一侧,相邻两个所述第二导流板构成的环面积相等,且所述第一导流板在所述排汽管的垂直对称面和水平垂直面内相对于排汽管轴线的角度均为0°~20°;多个第二导流板,每个所述第二导流板安装在每个所述支架的另一侧,且每个所述第二导流板在每个所述支架上的位置为两个相邻所述第一导流板的中点,其中,所述第二导流板在所述排汽管的垂直对称面和所述水平对称面内相对于所述排汽管轴线的角度均为0°~20°。

进一步地,所述第一导流板相对于所述排汽管轴线的角度随着与所述排汽管轴线距离的增大而减小,所述第二导流板相对于所述排气管中轴线的角度为相邻两个所述第一导流板相对于所述排汽管轴线的角度的平均值。

进一步地,所述第一导流板和所述第二导流板的宽度均为150mm~200mm。

进一步地,所述框架的周向还设有由所述排汽管的内壁朝向所述排汽管后轴承座延伸且支撑部分第一导流板和第二导流板的第二支架。

根据本发明的另一个实施例,还提供一种以上任一实施例所述的稳流装置的设计方法,所述稳流装置适于设置在后排气管轴承座和冷凝器之间,且与后排气管轴承座接触,其特征在于,包括以下步骤:步骤(1):将排汽管口分成n个等面积环,并计算每个所述等面积环的长半轴和短半轴,其中,每个等面积环对应的设置第一导流板,并且相邻两个所述第一导流板的中点处设置第二导流板;步骤(2):确定所述第一导流板和所述第二导流板的安装角度;步骤(3):建立流体力学模型,根据排气管内流场的均匀程度,调整所述第一导流板和所述第二导流板,直至中心漩涡区域不与冷凝管束相交且流场均匀;以及步骤(4)建立有限元模型,对所述稳流装置所述第一导流板和所述第二导流板施加10倍的所述排汽管中蒸汽冲击力的压力值,进行强度评估。

进一步地,在步骤(2)中,所述第一导流板和所述第二导流板相对于所述排汽管轴线的角度均为0°~20°

进一步地,在步骤(2)中,所述第一导流板相对于所述排汽管轴线的角度随着所述第一导流板与所述排汽管轴线距离的增大而减小,所述第二导流板相对于所述排气管轴线的角度为相邻两个所述第一导流板相对于所述排汽管轴线的角度的平均值。

进一步地,在所述步骤(2)中,距离所述排汽管轴线距离最大的所述第一导流板在是排汽管的垂直对称面相对于所述排汽管轴线的角度为12°;所述长半轴或所述短半轴最大的所述第一导流板在所述排汽管的所述水平对称面相对于所述排汽管轴线的角度为12°。

进一步地,步骤(4)中10倍的所述排气管中蒸汽冲击力的压力值是所述第一导流板或所述第二导流板许用应力的1/5。

进一步地,在步骤(3)中,调整所述第一导流板或所述第二导流板在所述垂直对称面和所述水平对称面相对于所述排汽管轴线的角度,角度调整范围为0°~5°;调整所述第一导流板或第二导流板的数量,直至中心漩涡区域不与冷凝管束相交且流场均匀。

进一步地,在步骤(3)中,所述第一导流板和所述第二导流板的宽度均为150mm~200mm。

相比现有技术,本发明的有益效果在于:

本发明在排汽管截面的等面积环上设置与排汽管轴线成角度的导流板,将排汽管中的气流引向中心区域,控制中心区域的流体,使中心区域的流体变得稳定,从而使中心漩涡区压缩到足够小,不与冷凝管管束相交,进而减轻蒸汽对管束的激励作用,进而达到消减轻管束振动的作用。

附图说明

图1为现有技术的冷凝器立体图;

图2为现有技术中汽流在排汽管的垂直对称面上流速分布;

图3为现有技术中汽流在排汽管的水平对称面上流速分布;

图4为现有技术中汽流进入冷凝器前排汽管的参考截面上的流速分布;

图5为本发明一个实施例的稳流装置的导流板初步设计的位置分布;

图6为图5实施例中的稳流装置导流板在垂直对称面上相对于排汽管轴线的角度;

图7为图5实施例中的稳流装置导流板在水平对称面上相对于排汽管轴线的角度;

图8为图5实施例中的稳流装置的局部视图;

图9为图5实施例中的汽流在水平对称面上的流速分布图;

图10为图5实施例中的汽流在垂直对称面上的流速分布图;

图11为本发明一个实施例的稳流装置的导流板初步设计后的汽流进入冷凝器前排汽管的参考截面上的流速分布;

图12为本发明一个实施例的稳流装置的导流板调整设计后在垂直对称面上的位置分布;

图13为本发明一个实施例的稳流装置的导流板调整设计后在水平对称面上的位置分布;

图14为本发明一个实施例的稳流装置的导流板调整设计后汽流在水平对称面上的流速分布图;

图15为本发明一个实施例的稳流装置的导流板调整设计后汽流在垂直对称面上的流速分布图;

图16为本发明一个实施例的稳流装置的导流板调整设计后的汽流进入冷凝器前排汽管的参考截面上的流速分布;

图17为本发明一个实施例的稳定装置的导流板调整设计后的局部有限元模型;

图18为本发明一个实施例的稳流装置的导流板调整设计后各个导流板上的受力图。

图中:10、排汽管;20、后排气管轴承座;30、冷凝器;40、第一导流板;41、第一板;42、第二板;43、第三板;44、第四板;45、第五板;50、第二导流板;51、第六板;52、第七板;53、第八板;54、第九板;60、框架;61、支架;62、第二支架;A、流速梯度大的区域。

具体实施方式

下面,结合附图以及具体实施方式,对本发明做进一步描述,需要说明的是,在不相冲突的前提下,以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。

根据本发明的实施例,本发明提供一种稳流装置的设计方法,设将稳流装置框架设置在后排气管轴承座20和冷凝器30之间,且与后排气管轴承座20接触,应当理解,稳流装置与后排气管轴承座20之间还安装有排气法兰等部件,将稳流装置安装在紧挨后排气管轴承座的位置,及早的调整进入排汽管的气流,从而消除中心区漩涡及拉均流场。该稳流装置的设计方法包括以下步骤:

步骤(1):将排汽管管口分成n个等面积环,并计算每个所述等面积环的长半轴和短半轴,其中,每个等面积环对应的设置第一导流板,并且相邻两个第一导流板的中点处设置第二导流板,其中,排汽管口面积等分计算公式为:

其中:S为设置稳流装置处的排汽管10的截面积,R为设置稳流装置处截面的长半轴或者短半轴,r为后排气管轴承座直径,r1、r2、...rn分别为第一导流板40的长半轴或者短半轴,n为第一导流板的数量。依次解出各个导流板的长半轴和短半轴。

步骤(2):确定所述第一导流板和所述第二导流板的安装角度。在排汽管10的垂直对称面和水平对称面上,第一导流板40和第二导流板50相对于排汽管轴线的角度均为0°~20°。应当理解,当第一导流板的长半轴和短半轴确定后,设定长半轴所在平面为排汽管的垂直对称面,短半轴所在平面为水平对称面。导流板相对于排汽管轴线的角度可以根据经验或者现有流场计算结果来确定。如根据图2、3、4中速度分布的特点,可以将长短轴和短半轴小的导流板的倾斜角度设置得大一些,而将长短轴和短半轴大的导流板的角度设置得小点。如图6和图7所示,垂直对称面和水平对称面上分别按期望的流动方向摆放导流板;将图5中所确定的椭圆作为放置导流板路径,按照图6和图7确定的导流板截面进行放样,得到的即为导流装置。

步骤(3)建立流体力学模型,根据排气管内流场的均匀程度,调整第一导流板和第二导流板,直至中心漩涡区域不与冷凝管束相交且流场均匀。将通过以上步骤得到的稳流装置建立计算机流体力学模型即CFD模型进行分析,若排汽管内的流场存在局部不均匀,则对第一导流板40或第二导流板50进行调整,直至中心漩涡区域不与冷凝管束相交。也就是说,对所做出的稳流装置进行模拟评估,首先看中心旋涡区是否被压缩得足够小,即不与管束相交且流场均匀;二是看稳流板是否引起较大的局部不均匀。如未引起较大局部不均匀且旋涡被压缩得足够小,则认为此方案可行;若未达成以上两条,则可以重新调整方案重新计算,直到满足条件,将调整后的方案作为最终方案。

(5)将稳流装置处理成有限元模型,再对稳流装置的框架、第一导流板、以及第二导流板施加10倍的排汽管中蒸汽冲击力的压力值,进行强度评估。也就是说,整个稳流装置需要置身于汽轮机排汽口的高速气流之中,受到蒸汽的冲击力,因此在设计过程中应该考虑稳流装置自身强度。导流板主要受到流动方向蒸汽冲击力作用,从流场计算中取出每块导流板受到的冲击力。由于流场对导流板的动态作用很难直接估计,故此处将每块板受到的冲击力放大10倍作为静强度计算的载荷,以便于该装置有足够的强度储备,即便是被蒸汽流激发出振动,也有足够的疲劳寿命。

本发明在排汽管截面的等面积环上设置与排汽管轴线成角度的导流板,将排汽管中的气流引向中心区域,控制中心区域的流体,使中心区域的流体变得稳定,从而使中心漩涡区压缩到足够小,不与冷凝管管束相交,进而减轻蒸汽对管束的激励作用,进而达到消减轻管束振动的作用。

进一步地,导流板被安装在米字形框架上,框架焊接在蒸汽进口上。将整个装置处理成有限元模型,并将10倍冲击力加到每块导流板上,并计算。为了便于操作,简单地将计算所得到的最大应力控制在此种导流板所使用材料许用应力的1/5以下即认为强度足够。将导流板上的负载力被放大10倍,而计算所得最大应力限制在小于材料许用应力的1/5,故可以认为即便是发生共振,此装置依然有足够的疲劳强度。

根据本发明的实施例,在步骤(3)中,第一导流板相对于排汽管轴线的角度随着所述第一导流板与排汽管轴线距离的增大而减小,第二导流板相对于排气管中轴线的角度为相邻两个第一导流板相对于排汽管轴线的角度的平均值,将排汽管中的气流导向中心区域,从而控制中心区域的流场。

进一步地,根据本发明的优选实施例,在步骤(3)中,距离所述排汽管轴线距离最大的第一导流板在是排汽管的垂直对称面相对于排汽管轴线的角度为12°;长半轴或短半轴最大的第一导流板在排汽管的水平对称面相对于排汽管轴线的角度为12°。

根据本发明的实施例,步骤(5)中10倍的排气管中蒸汽冲击力的压力值是第一导流板或第二导流板许用应力的1/5。将导流板上的负载力被放大10倍,而计算所得最大应力限制在小于材料许用应力的1/5,故可以认为即便是发生共振本发明的稳流装置依然有足够的疲劳强度。

进一步地,在步骤(4)中,调整第一导流板或第二导流板在垂直对称面和水平对称面相对于排汽管轴线的角度,角度调整范围为0°~5°;调整第一导流板或第二导流板的数量,直至中心漩涡区域不与冷凝管束相交且流场均匀。例如,根据流场的具体情况,增加或减少第二导流板的数量来调整某一位置流场的不均匀情况。进一步地,在步骤(4)中,第一导流板和第二导流板的宽度均为150mm~200mm。

根据本发明的另一个实施例,还提供一种稳流装置,包括:框架60、多个第一导流板40、以及多个第二导流板50。框架60的内侧固定在排汽管10的内壁上,框架的外侧抵靠后排汽管轴承座20,框架60包括至少一个支架61,支架包括沿框架60的周向等角度间隔布置的多个支撑杆,应当理解,支架61包括6个支撑杆,所述6个支撑杆形成“米”字形支架。

每个第一导流板40安装在每个支架61的一侧,相邻两个第二导流板50构成的环面积相等,且第一导流板40在排汽管10的垂直对称面和水平垂直面内相对于排汽管轴线的角度均为0°~20°,并且第一导流板从内到外(也就是长半轴或短半轴逐渐增大的方向)相对于排气管线的角度逐渐减小。

每个第二导流板50安装在每个支架61的另一侧,且每个第二导流板50在每个支架61上的位置为两个相邻第一导流板50的中点,其中,第二导流板50在排汽管10的是垂直对称面和水平对称面内相对于排汽管轴线的角度均为0°~20°。

进一步地,第一导流板相对于排汽管轴线的角度随着与排汽管轴线距离的增大而减小,第二导流板相对于排气管中轴线的角度为相邻两个第一导流板相对于排汽管轴线的角度的平均值。

根据本发明的优选实施例,第一导流板40在排汽管10的是垂直对称面相对于排汽管轴线的角度为12°;第一导流板40在排汽管10的水平对称面相对于排汽管轴线的角度为12°。

进一步地,第一导流板40和第二导流板50的宽度均为150mm~200mm。

进一步地,框架60的周向还设有由排汽管10的内壁朝向排汽管后轴承座20延伸且支撑部分第一导流板40和第二导流板50的第二支架62。应当理解,第二支架62只设置在长半轴和短半轴较大的导流板处,因为在长半轴和短半轴较小的区域面积较小,设置第二支架会影响气流流动,而长半轴和短半轴较大的区域,由于导流板较大,不稳定,因此需要安装第二支架来加强导流板的固定。

实施例一:

排汽管蒸汽进口直径约3.6m,汽轮机后轴承座距冷凝器中心线约5.5m,蒸汽在水平中心截面上的扩张角约12度,如图7所示。该冷凝器在冬季发生进汽口处管子断裂(即旋涡与管束相交处),为了消除中心不稳定旋涡对管束的影响,设计了一套稳流板。步骤如下:

步骤一:确定加装导流板的安装位置;

将导流板设置在紧挨排汽管后轴承座的位置,以便能及早调整流场。具体选取稳流装置设置在距离排汽管后轴承座700mm的位置作为导流板位置。

步骤二:确定稳流板的布置,包括数量、位置、角度;

1)将排汽管口有效面积分成若干等面积环。如图5、图6和图7所示,按长轴、短轴将整个排汽管口等面积均分。取加装稳流装置位置处垂直于排汽管轴线的截面,截面所截取的椭圆形排汽管的长轴半径为R=2120mm、短轴半径为R`=1782mm,取排汽管后轴承直径r=1300mm,n=5,按步骤(2)中的公式计算,依次解出第一导流板的第一板41、第二板42、第三板43、第四板44、第五板45的长半轴和短半轴r1=865.5mm,r2=1224.0mm,r3=1499.0mm,r4=1731.0mm,r5=1935.3mm,r′1=727.5mm,r′2=1028.8mm,r′3=1260.1mm,r′4=1455.0mm,r′5=1626.7mm;第六板51、第七板52、第八板53、第九板54的位置取相邻两个第二导流板的中点,即以及按此值绘制草图,如图5所示。

2)确定垂直对称面上的导流板角度,通过分析大量的计算结果,得出合适每个导流板相对于排汽管轴线的角度在0°~20°。如果对未加导流板的情况进行了CFD分析,那么可以根据结果来确定这些板的角度,如果事先没做流场分析可以给一个值,如每个导流板相对于排汽管轴线的角度为12°;分析图2中的流场,可以初步给出图6的布置;为了将流体导向管道中心,内侧长半轴或短半轴较小的导流板相对于排汽管轴线的角度应该设置的较大;而外侧长半轴或短半轴较大的导流板相对于排汽管轴线的角度应该设置较小。

3)确定水平对称面上导流板与排汽管轴线的夹角在0°~20°。同样可以根据流场分析的结果,也可以取12°。分析图3中的流场及根据此处管道走向,可以初步确定图7的布置方案;除内侧需要将流体导向中心外,外侧的角度需要顺应蒸汽方向。

4)生成稳流板,将1)步中所确定的椭圆(椭圆长半轴、短半轴分别为rn,r′n)作为放置导流板的路径,对步骤2)和步骤3)步所确定的导流板截面进行放样,得到的即为导流板(其中,导流板任意过排汽管轴线的截面与排汽管轴线所成的夹角,是用上述水平面和垂直面上的夹角值,经对应椭圆弧长线性插值得到),如图8所示。

步骤三:数值验算及方案调整;

对上一步所确定的方案重新建立CFD模型进行分析,计算结果如图9、图10和图11所示,导流板明显改善了中心旋涡区域,但在一些导流板尾部,显示出流场的局部不均匀性;局部流场不均匀性可以通过调整此处导流板来改善。

通过对两个对称面上的流场结果的分析,进而对导流板进行调整:将第二导流板的第二导流板的第八板53、第九板54取消;将导流板7放置在轴承座正后方,以便增强对旋涡的中心区域流场的改善。如图12和图13所示,调整后的导流板布置将更加合理。

步骤四:重新数值验算;

对调整后的方案重新进行CFD模拟。对结果进行评估。计算结果如图14、图15和图16所示,较调整前的方案流速分布要均匀得多;且有效压缩中心旋涡区域,使旋涡区域不再与管束区域相交,有效地改善了流场。将调整后的方案作为最终方案。

步骤五:整个装置的强度评估;

将稳流板及其支撑处理成有限元模型,如图17所示。从流场计算中取出每块板受到的冲击力列于表1中。如图18所示为流场对各板的压力分布,将每块板受到的冲击力放大10倍作为静强度计算的载荷。

表1各导流板受到的冲击力

在10倍冲击力下,稳流装置产生的位移为0.7mm,应力最大位置发生在稳流装置与筒体相连处,为14MPa,这样的应力值可以满足上文所述原则,小于许用应力的1/5;即便是按汽轮机高频叶片的标准来评定,其强度也是足够的。

上述实施方式仅为本发明的优选实施方式,不能以此来限定本发明保护的范围,本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

再多了解一些
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