濕蒸汽透平內(nèi)流特性及除濕方法的數(shù)值研究.pdf

1、凝汽式汽輪機(jī)的末級(jí)和次末級(jí)一般都工作在濕蒸汽區(qū)域，濕蒸汽的存在既降低了級(jí)運(yùn)行效率；同時(shí)也造成了動(dòng)葉片的可靠性下降。由于葉柵內(nèi)濕蒸汽的流動(dòng)特征極其復(fù)雜，而且往往伴隨著凝結(jié)相變的發(fā)生，設(shè)計(jì)者往往憑借經(jīng)驗(yàn)對(duì)末級(jí)進(jìn)行氣動(dòng)設(shè)計(jì)。本文針對(duì)末級(jí)濕蒸汽凝結(jié)流動(dòng)涉及的一些問(wèn)題如末級(jí)靜葉葉型的氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)和級(jí)內(nèi)各種除濕結(jié)構(gòu)進(jìn)行探索性研究。
　　概述了蒸汽兩相流理論的發(fā)展，總結(jié)了國(guó)內(nèi)外在這方面研究的現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題。根據(jù)已有文獻(xiàn)分析認(rèn)為，汽輪機(jī)通流中的

2、二次水滴對(duì)機(jī)組的安全運(yùn)行危害最大，它是由于凝結(jié)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(shí)也介紹了國(guó)內(nèi)外透平內(nèi)部除濕技術(shù)的應(yīng)用及研究情況，并簡(jiǎn)要分析了各種除濕方法的優(yōu)缺點(diǎn)。
　　本文應(yīng)用Eulerian/Eulerian的凝結(jié)流動(dòng)數(shù)值模型，研究了噴管和葉柵中凝結(jié)流動(dòng)的基本物理現(xiàn)象、水滴成核率和生長(zhǎng)規(guī)律及其流動(dòng)損失機(jī)理。把水蒸氣加速到很高的速度會(huì)引起物態(tài)的改變，視初始狀態(tài)和膨脹的程度對(duì)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(guò)飽和狀態(tài)。如果發(fā)生了凝結(jié)，就可以生成微小的液滴，同時(shí)還可以看到流動(dòng)蒸汽的參數(shù)起了相應(yīng)的變化，這主要是由于蒸氣在凝結(jié)時(shí)有潛熱放出來(lái)的緣故。同時(shí)，凝結(jié)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(shè)計(jì)中考慮降低濕蒸汽凝結(jié)流動(dòng)的能量損失與確保葉片運(yùn)行安全，這為設(shè)計(jì)者提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。
　　基于平衡相變模型編制了水蒸氣實(shí)際熱物理屬性的Fortran文件，借助CFD計(jì)算平臺(tái)CFX軟件采用均勻介質(zhì)多相模型發(fā)展了一種快速模擬葉柵內(nèi)

4、濕蒸汽跨音速流動(dòng)模擬的計(jì)算方法。進(jìn)行了濕蒸汽級(jí)葉柵內(nèi)非定常流動(dòng)的數(shù)值模擬，對(duì)動(dòng)、靜葉的氣動(dòng)干擾進(jìn)行了深入地分析，詳細(xì)研究了靜葉尾跡輸運(yùn)對(duì)下游動(dòng)葉柵內(nèi)蒸汽凝結(jié)特性的非定常擾動(dòng)。本文指出，在非定常的計(jì)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(dòng)的影響，整個(gè)透平級(jí)出口濕度值的非定常時(shí)間平均結(jié)果均小于定常計(jì)算結(jié)果。在葉柵喉部之后的超聲速流動(dòng)區(qū)，汽流凝結(jié)釋放了大于臨界值的放熱量，由此產(chǎn)生了一個(gè)很強(qiáng)的升壓減速過(guò)程，導(dǎo)致流速下降為亞聲速。雖

5、然接下來(lái)的膨脹流動(dòng)又使流速達(dá)到超聲速，但是由于葉柵流道內(nèi)汽流的膨脹度下降，葉柵尾緣斜激波強(qiáng)度減弱。對(duì)比結(jié)果分析表明，采用非定常的計(jì)算方法可以得到比定常方法更加準(zhǔn)確的凝結(jié)流動(dòng)特征。
　　結(jié)合遺傳算法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，本文針對(duì)某汽輪機(jī)末級(jí)的常規(guī)靜葉片改型為新穎的海豚仿生型葉片。通過(guò)數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明：所設(shè)計(jì)的海豚型葉片可以明顯地減小葉柵內(nèi)的蒸汽濕度，改善流道內(nèi)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(jí)的流動(dòng)效率。本文指出，海豚型葉型通道內(nèi)蒸汽濕度沿葉高的分布特點(diǎn)，更有利于在葉片上表面開設(shè)除濕槽而有效減少流道內(nèi)液相水的含量。
　　針對(duì)某汽輪機(jī)末級(jí)靜葉，研究了一種“后仰”的除濕溝槽，通過(guò)數(shù)值研究指出，結(jié)構(gòu)合理的“后仰”除濕溝槽，在溝槽內(nèi)存在沿葉高方向的負(fù)壓力梯度，它使流道內(nèi)的流體具有向上運(yùn)動(dòng)的能力，便于溝槽內(nèi)的液體水向葉頂匯集，進(jìn)而排流出葉柵流道。與此同時(shí)，該除濕溝槽對(duì)葉柵流道內(nèi)氣動(dòng)參數(shù)的

7、影響應(yīng)很小，其最佳位置應(yīng)開設(shè)在壓力面的中后部。對(duì)應(yīng)用除濕方法的汽輪機(jī)空心靜葉柵流場(chǎng)進(jìn)行了較為細(xì)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(duì)于雙縫抽吸方式，在空心葉片壓力面0.7軸向弦長(zhǎng)和吸力面0.2軸向弦長(zhǎng)開設(shè)兩個(gè)幾何結(jié)構(gòu)一樣的抽吸縫，本文選取兩種不同的結(jié)構(gòu)劃分為兩個(gè)方案。發(fā)現(xiàn)單個(gè)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(duì)比指出，對(duì)單個(gè)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(dǎo)致縫隙抽吸量的增大。開設(shè)雙抽吸縫合理方案的選擇應(yīng)考慮兩個(gè)方面的因素：縫隙結(jié)構(gòu)對(duì)葉片級(jí)氣動(dòng)效率的影響和縫隙處汽流的流動(dòng)特點(diǎn)是否有利于去水效率的提高。對(duì)熱蒸汽噴射方式，基于熱力學(xué)第二定律應(yīng)用參數(shù)評(píng)價(jià)葉柵內(nèi)的能量損失。對(duì)于尾緣熱蒸汽噴射，采用了三種不同寬度的縫隙，結(jié)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(guò)縫隙后熱蒸汽值下降越大。對(duì)同一個(gè)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(shì)，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(shí)具有最高的有效效率，即與主流的摻混過(guò)程能量損失最小。對(duì)于壓力面中部熱蒸汽噴射，通過(guò)改變縫隙寬度和噴射角度劃分了九個(gè)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(wú)熱蒸汽噴射的原型要高。各方案對(duì)比發(fā)現(xiàn)，本文研究中順主流噴射時(shí)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