多级水封进口流速的fluent数值计算.docx

1、Vol. 56 No. 4汽轮机技术TURBINE TECHNOLOGY多级水封进口流速的fluent数值计算张文萍，廖兵，付磊，白林峰(东北电力大学，吉林132012)摘要:多级水封管通常应用在电厂轴封加热器、汽泵等设备内的凝结疏水或密封水输送到凝汽器的管上，水封管是 靠疏水两端的压差来进行疏水的，多级水封在运行过程中的进口流速不能过大否则容易造成水封运行的不稳定， 利用fluent对水封密封水进口流速进行数值计算,分析得出多级水封的运行稳定性与密封水进口流量成反比,造成 这种现象的主要原因是密封水在流入水封管之后会有两次从高处往低处以自由落体、淋浴、附壁流等方式'排挤水 封原来建立

2、的空气柱，考虑到轴加、给水泵等的密封水出口流量值和水封的运行稳定性，应该将进水速度控制到 0. lm/s 0.5m/s,这样既能保持较高的疏水量又能维持水封的运行稳定性。关键词：多级水封;进口流速；fluent数值计算;流速分析分类号:TK264. 12.文献标识码:A文章编号:1001 -5884 (2014) 04-0249-04The Fluent Simulation to the Inlet Flow Velocity of the Multi-stage SealZHANG Ai-ping,LIAO Bing,FU Lei,BAI Lin-feng(Northeast Dianli

3、 University, Jilin 132012,China)Abstract:The multi-stage seal is always used in pipeline of transporting condensate trap or seal water of steam heater,pump and other equipment of power plant to the condenser. The transporting power of seal tube relies on the pressure difference across the hydrophobi

4、c. If the inlet flow rate of the Multi-stage seal becomes too large, it will result in the instability of the Multi-stage seal. This article will use fluent to simulate the inlet flow rate of seal, it can know that the operation stability of multistage seal is inversely proportional to inlet flow ra

5、te of seal. The main reason of that is that the exclusion of the seal water flow into second stage water seal pipe to the former air column. Taking into account the hydrophobic volume seal heater and the operation stability of multistage seal,the inlet flow rate should be control 0. lm/s 0.5m/s. It

6、can not only keep die higher hydrophobic volume but also the higher operation stability.Key words:multi-stage seal； the inlet flow velocity； fluent simulation； analysis of the velocity收稿日期：2014-01-07作者简介:张艾萍（1968.），男，内蒙古兴和人，教授，博士，主要从事热力设备状态监测和经济性诊断方面的研究。0、 刖日电厂多级水封主要用于轴封冷却器、给水泵等设备内的 凝结疏水或密封水输送到凝汽器的管

7、路上，既能通过溢流保 证疏水惕通,又能保证水封管内一直有水，从而防止汽泵或 轴封加热器与凝汽器气体相通影响凝汽器真空度，多级水 封的原理是根据单级水封的原理得来的，单级水封就是连通 器原理，管道两边的液面高度差等于容器两边的压差，单级 水封由于结构简单运行过程中较多级水封更稳定，电厂水封 的工作环境中容器两端处于一个大气压差，因而单级水封的 管道长度要大于10m,然而轴封冷却器、给水泵凝汽器等设 备距离汽机房0m层要小于10m,所以经常要埋一部分管道 在地面以下，这样布置困难也不利于清洁和修理；多级水 封是利用多个套管相连来缩短水封的高度，利用几个高度较 小套管来达到一个单级水封的效果而不用将

8、一部分管道埋 在地下，现在电厂中常用的有多级水封级数为3 5级，图 1所示为3级水封结构图，在开始运行前，应先将水位控制阀 阀门开启，开启注水门和排气门，将多级水封管内的水注入至水位控制阀门处有水流出为止，建立好水封运行前的水柱 高度，当凝汽器抽真空后，关闭注水阀门、排气门、密封水排 地沟阀门。因为密封水回水进入一级多级水封管内是气水 混合物，所以溢流阀应保持开启将第一级水封管内的气体排往大避免在第一级水时管内压力过大排挤回水经过 现场对多个火电厂的调住表明，多级水封桶的管径和高度设 计、密封水的流量和压力控制等方面，当其中一个环节出了 问题就会影响水封管的正常运行，将通过对多级水会的血 en

9、t数值模拟更直观的看出多级水在不同进I I流速下的运行 稳定性，以此得出含理的密封水进口流动速度。I多级水封各级水封桶的压力和水位的理 论计算理论计算的目的是为计算多级水封各级水封管的初始 压力与水位高度，目前力算水封高度的公式有以卜两式w :H =+ (0.5 I)pg式中，为每级水封高度,m; pm、p°诚为多级水封管进出口压 力，Pa;为多级水封级数/为水的密度，1 OOOkg/mLg为重 力加速度,m/S .(), 5 1.0为富裕地。P, - P ./, = I(I)(2)Pg式中,"为多级水封第，级的有效水封高度,m;式(1)计算 水封高度是把每级水封筒内石 成

10、一样水位高度来进行计算 的，式(2)是分别计算每级水封高度实际运行中每级水封高 度是不-致的，所以式(2)更为精确,F面将以式(2)来计算 各级水封高度和压力，计算是建、7：在以下几个条件下：(1) 凝汽器绝对压力P仙=0.(X)3MPa,回水口压力压= 0.1 MPa,大压力为一个标准大气压.密封水温度为45Y；(2) 由于密封水流动阻力较小，所以计算过程不考虑流 动阻力；(3) 水时管内的空气膨胀前后均按照理想气体处理，即 满足波义耳定律。如图I中的结构尺寸 为= 3. 267m,/i4 = 0. 2in, A - h、=7m,£ =0.665m,D =0. 273m,D4 =0

11、. 133m；D2 = 0. 194rn, l) - I)K = 0. 219 m ； C = 0. ()7 n】，G = G = G = 0. 004 in ；人，= 0.005m,K| =K3 =0.006mo由最后一级水封桶自由液面距 离凝汽器高度差为7m得出最后一级水封桶压力/>( =0.003 + 0.01 x7=O.O73MP*但|密封水在进入凝汽器的尼部 管道会因压力低发生汽化而减小此段管道的压力，当回水 温度为45T时压力会减小().(X)5 MPa,所以实际Pi = 0.068 MPlp2 = /" + (如-0. 15) xO.OI = 0.066 5 +0

12、.01 如(3) 式中,P2为抽真空后第二级水封的压力,MPa也 为抽真空后 第二级水封平衡状态水位,mm。* 二打/4 x 0. 252 x 0. 665 + ”/4 x0. 1? x 0. 05+ 7T/4 x 0. 1252 x 0. ()5=0. ()33 6m5(4)式中，匕为抽真空前第二级水封桶内的空气体积,m)V,.=匕一 7T/4 X 0. F X 0. 05 + 77/4 X 0. 125?如 =0. 033 2 + 0.012 3/i,n?(5)式中，匕为抽真空后第二级水封桶内的空气体积,n。P2V2 =01 匕(6)联左以上几式得到：62/i； + 515h, - 576

13、 = 0h = 0. 91 mp2 = 0.066 5 +0.01 x0.91 = ().075 6MPah2 = (0. 1 -0.075 6)/0.01 = 2.44m*站=3. 067 + 0. 27 - 0. 273 2/2 - 0. 05 - h2 = 0. 72m(7)2多级水封管运行的数值模拟2. 1多级水封管模型的建立及网格划分物理模型的平面结构图形如图1中所示，采用:维软件 SOLIWORKS进行三维建模，模型结构图和削而图如图2所 示,该模型省略r出口至凝汽器的管段模型的结构尺寸为 图1中的尺寸，将建立好的，维模型导入到ICEMCFD中进 行网格建立，为了得到更精确的网格，

14、除r全局网格设置外 并分别对水封桶内直径较小的管道进行合理的网格尺寸设 置，采用八叉树法生成六面体IE结构化网格，并对网格进行 平滑处理,生成的网格图如图3所示,对该模进彳J网格无关 性的验证得到网格数量大F52万以后计算结果趋F稳定,图3模型的网格图2.2数值计算的数学模型多级水封运行过程中,从密封水进门到凝汽器的管路中 压力逐渐减小，第-级水封桶内自由液面上方因为水位控制 阀在运行中处于开启状态，则第一级水封桶内空y压力为一 个大气压,依次往后凡级压力降低.密封水流动方式为逐级 溢流即多级水封内的水达到平衡状态时，-日.进11有水流入 就会由于压差的作用在另一端排挤-部水出去。由f水和 空

15、气互不相容所以应选择多相流中的VOE模型进行求解,水封的L作过程中山水对空气的挤压以及水封两端压差 的变化会导致食筒内的空气会不断的膨胀或压缩，所以空气 应为可压缩相，对r整个流动过程满足动吊方程：-r-(pr) + V (pvv) = 一 Vp + V )Lt( Vf + 铲) dl+ p&"(8)式中,P为空和水的平均密度;p为压力；为空和水之 间的作用力;为黏度。能量:方程：专(p幻 + V MpE+p) = V (妁) +黑(9) 式中,P为空弋和水的平均密度；£为水和空气所具有的能 也么为有效热传导系数;7,为温度南 为容积热源。2.3计算结果的验证水封4

16、行过程中，涉及到两相流,而水和空气互不相容, 所以在多相流模型中选取VOF在型进行求解，空气设置为 可压缩相湍流模型选择标准 J 模型并打开能&方程,管 道材料选为不锈钢，边界条件按照理论计算值进行设置，由 于本问题研究的是进口流速对水封运行的影响，该模型选择 的是用在轴封加热器之凝汽器疏水的多级水封，按照轴封加 热器的凝结水ht正常伉而G,在该尺寸的多级水时内的疏水 速度为(). 4ni/s左右，所以进口采用速度进11,1411密封水速 度先设K为().2mA,密封水至凝汽器的出口设为压力出口， 由于模邸中出口至凝汽器还有一定距离，故出口压力设置为 凝汽器压力加上相应管道产生的重差，

17、而水位控制阀门出口 设置为压力出口，压力伉为-个大气压，在计算进行初始化 后按照忡理论计算好各级水封棉的初始水位及相应的压 力参数,设置好相关的求解方法和松弛因子后进行作稳态计 算至收散后将数值计算的每级水封管疏水速度与理论计算 对比进彳亍验证,首先进行每级水封的密封水流动速度理论计 算，由进II流动速度为 =0.2mA而进门的横截面枳S近= n去=3.14 x0.05、己则进口体积流量qv =，进S进，有水封 运行的原理町知运行过程中采用逐级溢流的方式，在密封水 流动过程中扭级水封桶之间维持动态平衡，则管道每个截面 的流动速度与截面积的大小成反比，即vx = 进S爆/S.、(X代 表管道的某

18、个截面)，第一级水封桶外套傍内密封水的流动 速度 匕外=0.2 x 3. 14 xO.O52/3. 14 x (0. IO72 -O.O52)= 0.055 9ni/s,第一级套管内管密封水的流动速度匕内=0.2 x 3. 14 xO.O52/3. 14 xO.O52 =0.2ni/s,同理第二级套管内管密 封水流动速度为匕内=0. 128m/s,匕外=0.088 6m/s,第三级 食管外管密封水流动速度匕外二().055 9m/s,匕内=0.2m/s. 出门处的截面积等F进门处的截面积,所以密封水出口速度 等于进口 0. 2.11/80数值计算结果的云图如图4、图5所示。图4为各级水封管疏水

19、速度云图，山卜管内的流动方式 为溢流万式，所以当密封水进入第-级后外套管后将自动排 挤相同卅的水进入第二级食管内管，而内管的自由液面距离 第二级水封管的顶部还仆一定距离，所以从第一级水封管内 排挤出来的水将在-定高度范围内以自由落体、附壁流等方 式流人第二级您管内管中，所以这部分非满管流动的部分速 度较大，如图中颜色较深的部分，图5为沿若各级水封管底 部截出内外傍速度云图，图中显示第-级套管内管的速度基本部处在为().2 ni/8右，外管的速度分布均匀性稍差速度值基本处于0.057m/s左右,第二级套管的外管由J *管径较 小所以速度分布的均匀性比第 级的稍去，第三级套管内外 管速度分布与第一

20、级基本相同，因为第一级套管的外管受到 进口水流的作用，速度稍大点因此颜色稍微深一点c用截 血平均值的方法得出的各级套管内外管的*均流速，第级 外套管的水流速度匕外和第3级外套管的速度岭外相同与理 论计算值0.0559mA基本吻合，同时其它管道的流速也与理 论计算值基本吻合,所以上述求解器、边界条件等设置正虬9.697e-001 9.091e-001 8.4B5e-001 7.879e-001 7.273e-001 6 667e-001 6.061e-001 5455e-001 4 848eX)01 4.242eQ01 3.636e-001 3.030e-001 2.424e-001 1 818

21、e-001 1.212NXM 6 061e-002 OOOOeHXX) m sA-1|图5各级内外套管 流速截面图图4各级水封管密封水流动速度3密封水流动速度范围的分析由多级水封工作原理可知.多级水封从第-级到最后- 级I &力逐渐降低从而起到-个抵消f K差的效果，所以在每 级套管内都是压力较大侧的水位较低,运行过程中各皆道水 6"、图如图6、图7所示。VVater.Vdwne Fraction Contourl 7：>9.697eS1 9.01e<001 6 485e-001 7.879e-00l 7.2 腿 001 6.6675 6.061e-001 5.4

22、55e-001 4.848+001 4.24251 3 636e-001 3.030e4X)1 2.424e-001 1.818e-001 1.212e-OO1 6 061302 0.000e+000Water-Volume FractionContow 1 其I9.69751 909U-001 8.485e<001 7 879eX)1 7.273e-001 6.667e>001 6 061e-001 5.455e-001 4.848e>001 4 242e-001 3.636e-001 3.030e-001 2.424e 001 1.818e-0011.2l2e-001 6

23、.061 e-002 0 000e*000图6各级水封内外图7第一、二级水封内套管水位套管水位图6、图7所示为密封水迎入第一级后通过第-级套管 内管溢流到第二级套管的内管，如图7中所示，在水封进曰 处没有密封水进入时第二级套管内管自由液面上方应该全 是空气，当有水进入后,通过门由落体、附壁流等方式流人第 二级的密封水会排挤自由液面上方的空气，使得空气被压缩 从而n由液面上方的压力会增大，所以如果流速过大木仅会 造成上方的空气压力变化过大，而旦过大的密封水流速也会造成自由液面的强力冲击导致水封冲破形成满管流动,当密 封水流入第二级套管以后将通过第二、三级之间的连接管道 进入第三级，此时第三级套管

24、外管也是由于自由液面很低且 上方是空气所以密封水的流入方式与第二级内管相同，但 是用第三级外套管的自由液面上方空间较第二级大很多则 当水ht相同的悄况F最先影响到第二级套管。图8所示为 第二级食管内管自由液面上方水流速度的局部放大图，如图 中显示左侧靠近壁面由于自由落体受到的外力较小速度最 大处达到了而右侧由于受到壁面的撞击以及被壁面 撞击回来的水流之间的撞击影响，所以速度要小于左侧的流 速，在这些水F落的过程中在自由液面上方空气产生的水体 积含t如图9所示，从图中可看出这部分水的体积含般较小.所以对压力的影响很小.经过截面积平均法计算后这部分水的体积约为自由液面上方的3%左右。,.2恤十00

25、01.535000 1*39"00 1.343e>00C 1.247e-KX)C tlSleHXXJ 1.055e*00C8.6*0017 675©-0016.715e-001 5.756e-001 4.797e-001 3837&-001 2.878e-001 1 919e-0019 594e-0021 O.OOOeOa m sA-1)图8第二级水封内图9自由液面上方水体积套管速度局部图理论上来说原来的空气体积被减小了2.96%时，压力 也应增大原来庄力的3%左右，原来液面上方的空气压力为 74.5kPa加上2.335kPa等于76.8kPa左右，但是在实际

26、过程 中由F空气被挤压时水位也会相应降低，水位波动也较小, 所以实际的压力要小于76.8kPa与原压力相比相差很小，所 以此时第二级内套管自由液面上方各处压力基本是一致的, 当水封速度为0.2m/s时管内各个部分的压力较稳定，从而 运行也比较稳定。将进口密封水流速度调大后再进行数值 计算，分别对进口流速为0.I m/s、(). 3ni/s、0.4m/s、0.5 m/s、 0.6m/s l5m/s,l4组工况进行模拟，图10所示为不同进 口流速卜的第二级水封套管内管自由液面上方的水体积含 鼠云图，随着进口流速的提高，第二级套管内管自由液面上 方空气中的水体积含晴越来越大，第一级内管出口处的水量

27、明显增加这也导致了在这部分水流入第二级时的流动过程 更为混乱，当密封水进口流速为0.5m/s时第二级套管内管 自由液面方的水址占到了自由液面上方总体积的4.98%, 图11所示为不同速度F的第一、二级水封内套管的压力，此 时上方的空气由于被压缩后压力也由原来的74.5kPa增大到 76.3kPa,第二级套管内管自由液面下降了0.13m,由于压力 变化不是很大所以自由液面的上方的压力分布也较均匀。当进口流速增加到0.9m/s时自由液面上方的水体积含 量为9. 12%,自由液面的上方由于水流速度、水体积比例和 流场的混乱度增加引起r压力分布的不均，此时自由液面上0 83300(6 030e-00l

28、i5 528e-00W4 97So 0014 422«>0013 869»XX)13 317001：2.7640011 Z211e-00l 165ae4»ll1 106e4»T5 52Se 0020.000 «00C0.5m/s:9.盼79 091001 8.485eC1 7.879X)017 2730018.6«7eXM6 061MXH5 4550014.848«-0014 242e-0013 636e-0013 030e-0012 424e00l|1.818e-001 1.2i2<OOl!6 061e002：

29、 ooooood » *7：»>0e-001 7.273001 6.W7>4X)1 6 001»-001 5.465001 1 4 648e-001 I 4.242»-001 3.636001 3.030»*001 2 424<M»1 1.818C-0016 061e 002 O.OOOe+OOO0.9m/sl.Sm/s图10不同速度下的第一、二级水封内套管水体枳0.5m/sg3、'S0O4, 54&r0048 43/V*004, 3”。8482iee4O(M 106«HKM 7 995&#

30、171;HX>«0.9m/sa "OH a.57$»*<XM8.333e*0045.091 »*00«1.5ni/s7727eXM7.«06e*<X>47.4B5e«004 7 ?242e*0047 121rMXM 7 000e«004图ii不同速度F的第一、二级水封内套管的压力 方的平均压力值为78. 8kPa，当进口流速增加到1.5m/s时的 水体积含量增大了到13.2%使得空气被压缩较大后自由液 面的高度下降了0.37rn,利用15组不同速度卜第二级水封内 套管的压力与初始压力的是值l

31、p随者速度的变化伉绘制的 曲线如图12,如图中所示随着速度的增加Ap的值增幅越来 越大，在速度为0.5m/s以内的尊增幅最小，超过0.5m/s时 p的增长率越来越大。旦在速度为().5ni/s以内的压差为 1.5kPa左右只占到初始压力的2%,对压力的影响较小,此时 水位波动很小，运行相对较稳定。当密封水进】速度为0.9 ni/s时的压差占到初始压力6.3% ,此时流动情况较混乱. 水位波动较明显,对水封管内的压差形成了较大的破坏容易 造成水封的破坏现象，所以对于该尺寸的水封在实际运行中 不应让进口流速超过0.9m/sc但也不是进LI流速越小就一 定越好.因为如果进口长时间没水进入时，当凝汽器

32、压力变 化时可能出现水封失水的现象。进口流速/(m/§)图12压力随流速的变化曲线4结论通过对某种尺寸的多级水封运行过程的数值模拟得出(下转第257页)顶部反扭静叶直叶片脸叶 J型祐讦 正弯静叶302826.242220.18.16.14.12.1008.06.04.0200 oo.o.o.o.o.o.o.o.o.o.o.o.o.o.o.O相对好高I图12动叶能量损失系数沿相对叶高的变化与比较损失要高于直叶片静叶级和正弯静叶级。综上可得，原模型级中静、动叶损失偏大可能有两个原 因,一是该模型级的静叶是一个上半叶高反扭的静叶，静叶 顶部有效出口角过小，顶部反扭部分的静叶出气角小于10。

33、, 使顶部的端部损失可能偏大;二是静叶顶部反扭对下游流场 产生负面影响，造成动叶的损失因冲角增大而增大。通过3种改进方案的计算与比较,可见采用正弯静叶透 平级的气动性能最佳，静、动叶损失最小。采用弯曲叶片栅, 即叶片的压力面与上下壁面组成的夹角均为锐角时,可以获 得吸力面和压力面上的沿叶高的压力呈C型分布。在它 的作用下，两端边界层被吸到中部并被主流带走，因而两端 部区内的能量损失下降。由于两端部区域内的低能量流体 被吸入中部，叶栅中部某个区段能量损失有所增加。但在一 般情况下，中部区的能量损失增加得并不显著，因而叶栅中 的总能量损失是减少的4结论本文以Fine/Turbo对某600MW汽轮机

34、高压缸内的CVN 静叶透平级进行了数值计算和分析，计算了不同速比下的透 平级的气动性能，并与试验结果进行对比，分析比较了级效 率、反动度、流量系数等技术指标。在此基础上，通过改进静 叶成型，提出了 3种透平级的改进设计方案，计算和比较了 各方案级效率和级内损失的差异，提出了最优的设计方案。 主要结论如下：(1) 数值计算结果与试验吻合较好，级效率、反动度、流 量系数等主要气动性能指标的变化趋势一致；(2) 最佳速比介于0.52 -0.53之间。速比0.5时的级效 率的计算值为85.1%，与试验值之间存在约2%的相对误差；(3) 该CVN静叶叶型并不是最佳，静、动叶损失偏大，占 级损失的70%以

35、上，造成级效率偏低；(4) 3种改进透平级的气动性能均优于原模型级，正弯 静叶透平级为最佳设计方案,其静、动叶损失最小,可提高透 平级效率约1.2%。参考文献1 蔡颐年.蒸汽轮机M.西安:西安交通大学出版社,1988.2 王仲奇，郑严.叶轮机械弯扭叶片的研究现状及发展趋势 J.中国工程科学，2000,2 (6):40-47.3 张兆鹤，崔 琦，梁安江.有关叶栅损失的探讨JJ. ±海汽轮 机,2002,(1)： 54-61.4 徐 旭，康 顺，谭春青.透平转子直列叶栅流场及其总压损 失的数值研究J.工程热物理学报,1999,20(6)： 595 -698.5 蒋洪德，朱 斌,徐星仲，等.叶轮机械数值计算与设计方法进 展及其在汽轮机中的应用J .工程热物理学报,1998,19(3)： 310-314.6 空气透平级试验结果及分析(II)R.上海:上海发电设备成 套