核电汽轮机低压级内水滴沉积与疏水槽除湿性能研究

第1期2014年3月圣言乞粉拔DONGFANGTURBINENO1MAR2014姚金玲，王新军，李曦滨，范小平1西安交通大学能源与动力工程学院。陕西西安，710049；2东方汽轮机有限公司。四川德阳，618000摘要采用商用软件CFX对某核电汽轮机低压末三级叶栅通道中的水滴沉积规律进行了三维数值模拟，并初步研究了静动叶片表面上的水膜流动特性评估了次次末级后与次末级后疏水槽的除湿性能。结果表明二次水滴比一次水滴更容易沉积在叶片表面上；水滴在叶片内弧的总沉积水量最多可达到背弧的10倍；静叶片上的水膜厚度沿轴向逐渐变薄，而动叶片上的沿轴向先缓慢变厚再变薄两个疏水槽的除湿效率在11左右、关键词核电汽轮机，水滴沉积，疏水槽，除湿性能中图分类号TK262文献标识码A文章编号16749987231401一301306RESEARCHONDEPOSITIONOFWATERDROPLETSANDMOISTUREREMOVALINLPLASTTHREESTAGESOFNUCLEARSTEAMTURBINEYAOJINLING，WANGXINJUN，LIXIBIN，FANXIAOPING1SCHOOLOFENERGYANDPO、VERENGINEERING，XIANJIAOTONGUNIVERSITY，XIA11SHAANXI，71【1L14921ONGNGTURBINECO，LTD，DEYANGSICHUAN，61800ABSTRACTINTHISPAPER，WATERDROPLETSMOVEMENTANDDEPOSITIONCHARACTERISTICSINLPLASTTHREESTAGESCASCADECHANNELFORANUCLEARSTEAMTURBINEWEREFIRSTNUMERICALLYCALCULATEDFLOWCHARACTERISTICSOFTHEWATERFILMONTHESTATORROTORBLADESURFACEWASPRELIMINARILYSTUDIEDMOISTUREREMOVALPERFOMLANCEINTHECIRCUMFERENTIALSLOTSDOWNSTREAMTHETHIRDLASTSTAGEANDTHESECONDLASTSTAGEWASCALCULATEDANDEVALUATEDTHERESULTSSHOWEDTHATTHECOARSEDROPLETSWEREEASIERTOBEDEPOSITEDONTHEBLADESURFACETHANTHATOFFINEDROPLETSTHEDROPLETSDEPOSITIONMASSONTHEBLADEPRESSURESURFACEWASMAXIMALLY10TIMESTHATONTHESUCTIONSURFACEWATERFILMTHICKNESSONTHESTATORBLADEDECREASEDALONGTHEAXIALDIRECTIONWATERFILMTHICKNESSONTHEROTORBLADEALONGTHEAXIALDIRECTIONFIRSTBECAMETHICKGRADUALLYANDTHENBECAMETHINMOISTUREREMOVALRATEOFTWOCIRCUMFERENTIALSLOTSWEREABOUT11KEYWORDSNUCLEARSTEAMTURBINE，WATERDEPOSITIONS，CIRCUMFERENTIALSLOT，MOISTUREREMOVALPERFOMLANCE0引言随着高参数大功率汽轮机的大力发展汽轮机中的湿蒸汽问题变得日益严重。尤其是核电汽轮机，如果不采取除湿措施的话低压缸的排汽湿度将会超过20I“。根据汽轮机长寿命、高效率以及保证安全的原则各厂家在设计汽轮机时必作者简介姚金玲1989一，女西安交通大学能源与动力工程学院硕士研究生L3第1期2014年3月圣言浇论找DONGFANGTURBINENO1MAR2014须考虑汽轮机内湿度的问题。目前，国内外各汽轮机生产厂家和科研机构对汽轮机除湿结构与技术进行了许多研究【并发展出了各种形式的除湿方法和结构嘲汽轮机中的水滴主要是由一次水滴和二次水滴构成的。已有的研究结果表明二次水滴是引起动叶片水蚀的直接根源。因此研究核电汽轮机叶栅通道内水滴的运动与沉积规律以及叶片表面水膜的流动特性将有助于合理设计除湿结构具有重要的理论意义和工程实用价值11数值计算方法汽轮机低压缸通流中的流动是极其复杂的湿蒸汽两相流动流动过程不仅要考虑每一相内部的作用。还要考虑相与相之间的相互作用。本文在数值计算水滴的运动特性时假定水滴是球形的并且尺寸不发生变化忽略了重力及其他作用力对水滴的影响水滴碰撞到固体壁面没有反弹而直接被捕获CFX中通过积分拉氏坐标系下的颗粒作用力微分方程来求解离散相颗粒的轨道。颗粒的作用力平衡方程在笛卡尔坐标系下的形式为1A1BFD1L“GZIXPZ1C式中，为水滴单位质量受到的蒸汽阻力，可以表示为224JD；式中一蒸汽的速度矢量；水滴的速度矢量；L厂蒸汽分子粘性系数；P蒸汽的密度；P厂水滴的密度；D广水滴直径RE厂水滴雷诺数；C阻力系数，其定义为C庐2416B3REP式中，6L01862436，B206529，B3O4373157，B47185353。312计算模型与网格某核电低压缸末三级的基本结构和计算网格如图1所示，在计算域进口与出口都加了延伸段两个疏水槽分别位于次次末级动叶后和次末级动叶后。网格为HOH型结构化网格总数为4_3106进口给定总温总压，出口给定静压，两个疏水槽的出13给定质量流量次次末级次末级末级A基本结构出【1一段B计算网格图1计算模型与网格低压末三级进口的平均蒸汽湿度为63。水相质量流量为137KS。根据文献中的方法，估算出末三级静叶前一次水滴的平均直径约为1第1期2014年3月圣言乞抢揍DONGFANGTURBINENO1MAR2014M。叶栅进13处的二次水滴直径及直径分布采用式4得到。式中一水滴的表面张力WE厂水滴的临界韦伯数，14；P一蒸汽的密度；C一蒸汽的速度矢量C水滴的速度矢量。三个级进13的二次水滴平均直径分别为176M，481M和9445M。图2和图3分别是一次水滴和二次水滴的质量分布图。DJD图2一次水滴群质量分布曲线02040608010012040L60180图3级进口二次水滴的质量分布图13计算结果与分析图4和图5分别给出了次次末级叶栅通道中一次水滴和二次水滴的运动轨迹。从图中可以看出，二次水滴更容易被叶片壁面所捕获。这是由于水滴直径越大运动惯性也大保持原有运动状态的能力越强撞击并沉积在叶片和汽缸表面的可能性越大。当水滴直径大于14ILM时，水滴的径向分速度很小运动轨迹几乎为直线绝大部分水滴都能撞击到叶片表面并沉积下来参图4一次水滴的运动轨迹图5次次末级内二次水滴的运动轨迹根据水滴的运动轨迹可以得到水滴撞击在叶片壁面上坐标位置并统计出末三级各叶片内背弧不同轴向与径向位置的水滴沉积量与沉积率图6和图7分别是次次末级叶片内背弧上的水滴沿轴向和径向的沉积量与沉积率分布水滴在静动叶片轴向和径向有相对沉积集中的区域在叶片内弧的沉积量最大可达背弧的10倍A静叶内弧L5霎一蠡他M僻OOOOO00OO0第1期2014年3月圣亩沌论摇DONGFANGTURBINENO1MAR2014删避_曩霹删遥蕊一相对叶宽B静叶背弧一0O6删OO30O0相对叶宽C动叶内弧00O3O609相对叶宽D动叶背弧图6次次末级叶片内背弧水滴沿轴向的沉积量16霞相对叶高A静叶内弧咖避簧咖避卿蛙相对叶高B静叶背弧相对叶高C动叶内弧相对叶高D动叶背弧图7次次末级叶片内背弧水滴沿叶高的沉积量21水膜流动特性图8和图9分别为静动叶片内弧与背弧上水质量分数的分布云图。从图中可以看出，静叶内弧表面上的水膜较均匀；背弧上的水膜呈间断状。动叶内弧表面的水膜向叶顶方向聚集这样有利第1期2014年3月圣言芘粉拔D0NGFANGTURBINENO1MAR2014于疏水槽对水分的收集背弧只在靠近叶顶的部分区域有水膜形成。FB背上水质量分数分FELLMHTL一LA内弧B背弧图9动叶水质量分数分布云图图L0和图L1分别为静动叶表面上的水膜厚度在四个叶高截面沿轴向的变化曲线图。在25叶高处液相水直接被甩向了叶顶方向在叶片表面没有形成水膜背弧水沉积量较小进口的水质量流量较低表面大部分区域水膜厚度还未达到水膜的临界厚度只有在90叶高处有水膜形成，、内弧与背弧表面的水膜厚度沿轴向都是先缓慢变厚再变薄相对弦长EE一赵蛩趟G昌一魁陟型苗B背弧图L0静叶片上水膜厚度相对弦长B背弧图1I动叶片上水膜厚度2_2疏水槽除湿性能进入疏水槽的液相分为三部分级进VI的水滴、动叶出口边撕裂形成的水滴和动叶表面沉积水分沿径向甩入的部分。图L2为级进口水滴在两个疏水槽内的运动轨迹。根据进入疏水槽内的水滴直径和百分比通过换算得到次次末级和次末级后疏水槽捕获的水质量流量分别占进口总水质量流量的0994和2125。】7廖、棚厦_L慷弧I第1期2014年3月圣乞鼢般DONGFANGTURBINENO1MAF2014一A次次末级后疏水槽B次末级后疏水槽图L2级进口水滴在疏水槽内的运动轨迹图13为动叶出口边撕裂形成的水滴在疏水槽内的运动轨迹图。次次末级和次末级后疏水槽捕获的水质量流量占进口总水质量流量的077和032。图L3不同直径的水滴在疏水槽内的运动轨迹沉积在动叶表面上的水分随着动叶旋转将会甩入疏水槽，如图9A1所示。计算到次次末级动叶表面上的沉积水分沿径向甩人疏水槽的水质量流量比为932因此次次末级后疏水槽的总除湿率为以上3部分相加，最终结果为11084。次末级动叶表面上的沉积水分沿径向甩入疏水槽的水质量流量比为938。次末级后疏水槽的总除湿率的最终结果是118核电汽轮机疏水槽的除湿效率如表1所示。2个疏水槽的除湿率也分别与文献71提出的结论相一致L8表L核电低压缸疏水槽的除湿性能汇总表疏水槽内的水滴组成次次末级后疏水槽次末级后疏水槽采用粒子输运模型对某核电汽轮机低压缸末三级叶栅内一次与二次水滴运动轨迹以及沉积量进行三维数值计算的结果表明二次水滴较一次水滴更容易沉积内弧的沉积量最大可达背弧的1O倍。疏水槽内去除的绝大多数水分为动叶表面上沉积的水分沿径向的水滴。次次末级后疏水槽捕获的水质量流量占进口总水质量流量的11084次末级后疏水槽为118参考文献【1】杨晓辉，单世超核电汽轮机与火电汽轮机比较分析汽轮机技术，2006，486404407【2】王新军，高铁瑜，徐廷相汽轮机空心静叶去湿缝隙结构的研究卟热能动程，2005，2O11417【3PETRV，KOLOVRATNIKMMODELLINGOFTHEDROPLETSIZEDISTRIBUDONINALOWPRESSURESTEAMTURBINEJPROCINSTMECHENGRS，2000，214PANA1451524CRANERIDROPLETDEPOSITIONINSTEAMTURBINESU】PROCINSTMECHENGRS，2004，218PARTC8598705AJWHITE，JBYOUNGANDPTWAITERSEXPERI