濕蒸汽透平內流特性及除濕方法的數(shù)值研究.pdf

1、凝汽式汽輪機的末級和次末級一般都工作在濕蒸汽區(qū)域，濕蒸汽的存在既降低了級運行效率；同時也造成了動葉片的可靠性下降。由于葉柵內濕蒸汽的流動特征極其復雜，而且往往伴隨著凝結相變的發(fā)生，設計者往往憑借經(jīng)驗對末級進行氣動設計。本文針對末級濕蒸汽凝結流動涉及的一些問題如末級靜葉葉型的氣動優(yōu)化設計和級內各種除濕結構進行探索性研究。
　　概述了蒸汽兩相流理論的發(fā)展，總結了國內外在這方面研究的現(xiàn)狀和存在的問題。根據(jù)已有文獻分析認為，汽輪機通流中的

2、二次水滴對機組的安全運行危害最大，它是由于凝結液滴在葉片表面沉積形成液膜，并在尾緣撕裂所產(chǎn)生的。同時也介紹了國內外透平內部除濕技術的應用及研究情況，并簡要分析了各種除濕方法的優(yōu)缺點。
　　本文應用Eulerian/Eulerian的凝結流動數(shù)值模型，研究了噴管和葉柵中凝結流動的基本物理現(xiàn)象、水滴成核率和生長規(guī)律及其流動損失機理。把水蒸氣加速到很高的速度會引起物態(tài)的改變，視初始狀態(tài)和膨脹的程度對飽和條件的接近程度，可能使蒸氣從未飽和

3、狀態(tài)變成過飽和狀態(tài)。如果發(fā)生了凝結，就可以生成微小的液滴，同時還可以看到流動蒸汽的參數(shù)起了相應的變化，這主要是由于蒸氣在凝結時有潛熱放出來的緣故。同時，凝結區(qū)域的熵增很大，體現(xiàn)了非平衡損失的影響。如何在葉柵設計中考慮降低濕蒸汽凝結流動的能量損失與確保葉片運行安全，這為設計者提出了嚴峻的挑戰(zhàn)。
　　基于平衡相變模型編制了水蒸氣實際熱物理屬性的Fortran文件，借助CFD計算平臺CFX軟件采用均勻介質多相模型發(fā)展了一種快速模擬葉柵內

4、濕蒸汽跨音速流動模擬的計算方法。進行了濕蒸汽級葉柵內非定常流動的數(shù)值模擬，對動、靜葉的氣動干擾進行了深入地分析，詳細研究了靜葉尾跡輸運對下游動葉柵內蒸汽凝結特性的非定常擾動。本文指出，在非定常的計算條件下，由于溫度較高的靜葉尾跡所產(chǎn)生的大尺度溫度脈動的影響，整個透平級出口濕度值的非定常時間平均結果均小于定常計算結果。在葉柵喉部之后的超聲速流動區(qū)，汽流凝結釋放了大于臨界值的放熱量，由此產(chǎn)生了一個很強的升壓減速過程，導致流速下降為亞聲速。雖

5、然接下來的膨脹流動又使流速達到超聲速，但是由于葉柵流道內汽流的膨脹度下降，葉柵尾緣斜激波強度減弱。對比結果分析表明，采用非定常的計算方法可以得到比定常方法更加準確的凝結流動特征。
　　結合遺傳算法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡等優(yōu)化設計方法，本文針對某汽輪機末級的常規(guī)靜葉片改型為新穎的海豚仿生型葉片。通過數(shù)值計算結果表明：所設計的海豚型葉片可以明顯地減小葉柵內的蒸汽濕度，改善流道內蒸汽濕度的分布。與原型葉柵相比，在流道流量基本不變的情況下，海豚型

6、葉柵顯著降低了單列葉柵的能量損失，提高了級的流動效率。本文指出，海豚型葉型通道內蒸汽濕度沿葉高的分布特點，更有利于在葉片上表面開設除濕槽而有效減少流道內液相水的含量。
　　針對某汽輪機末級靜葉，研究了一種“后仰”的除濕溝槽，通過數(shù)值研究指出，結構合理的“后仰”除濕溝槽，在溝槽內存在沿葉高方向的負壓力梯度，它使流道內的流體具有向上運動的能力，便于溝槽內的液體水向葉頂匯集，進而排流出葉柵流道。與此同時，該除濕溝槽對葉柵流道內氣動參數(shù)的

7、影響應很小，其最佳位置應開設在壓力面的中后部。對應用除濕方法的汽輪機空心靜葉柵流場進行了較為細致的數(shù)值模擬，所采用的除濕方法包括雙縫抽吸方式、尾緣熱蒸汽噴射方式和壓力面中部熱蒸汽噴射方式。對于雙縫抽吸方式，在空心葉片壓力面0.7軸向弦長和吸力面0.2軸向弦長開設兩個幾何結構一樣的抽吸縫，本文選取兩種不同的結構劃分為兩個方案。發(fā)現(xiàn)單個方案下壓力面上的縫隙抽吸量和縫隙出口處的壓力一般要比吸力面上的縫隙抽吸量要大。兩方案對比指出，對單個縫隙，

8、縫隙的汽流抽吸量隨抽吸壓比的減小而增大，縫隙寬度的增大也將導致縫隙抽吸量的增大。開設雙抽吸縫合理方案的選擇應考慮兩個方面的因素：縫隙結構對葉片級氣動效率的影響和縫隙處汽流的流動特點是否有利于去水效率的提高。對熱蒸汽噴射方式，基于熱力學第二定律應用參數(shù)評價葉柵內的能量損失。對于尾緣熱蒸汽噴射，采用了三種不同寬度的縫隙，結果表明，同一噴射流量下，縫隙的寬度越小，因其節(jié)流作用越大，經(jīng)過縫隙后熱蒸汽值下降越大。對同一個縫隙，隨著噴射蒸汽量的增加

9、，有效效率出現(xiàn)先增加后減小的趨勢，本研究中尾緣熱蒸汽的最佳噴入量大致為葉柵主流的4％左右，此時具有最高的有效效率，即與主流的摻混過程能量損失最小。對于壓力面中部熱蒸汽噴射，通過改變縫隙寬度和噴射角度劃分了九個方案，發(fā)現(xiàn)熱蒸汽噴射流量比只要小于6.5%，各方案的有效效率就比無熱蒸汽噴射的原型要高。各方案對比發(fā)現(xiàn)，本文研究中順主流噴射時縫隙寬度為3mm的PA3方案為最佳方案。此方案噴射的熱蒸汽能有效減少葉柵出口的濕蒸汽濕度而提高葉柵效率；同