某汽轮机中的湿蒸汽流动研究

201O年第1期圣言汔扮揍DONGFANGTURBINE11徐小波李瑜吴其林李亮1西安交通大学，陕西西安，710049；2东方汽轮机有限公司，151川德阳，618000摘要按照平衡凝结流动设计方法设计的低压汽轮机实际按照非平衡凝结流动规律运行，因此会带来额外的损失。为了评估两种凝结方式的差异，对某汽轮机低压缸内的平衡凝结和非平衡凝结流动进行了对比研究。结果表明与平衡凝结流动相比，非平衡凝结流动中汽轮机低压缸各级透平焓降、反动度、湿度分布以及各叶栅表面压力分布、叶栅进口攻角、出13气流角、末级EL余速及低压缸内热力过程线均有明显差异。按照非平衡凝结流动规律设计低压汽轮机是进一步提高其效率的一个途径。关键词汽轮机；平衡凝结；非平衡凝结STUDYONTHEWETSTEAMFLOWINASTEAMTURBINEXUXIAOBO一，LIYU，WUQILIN，LILIANGF1XIANJIAOTONGUNIVERSITYXIALL7100492DONGFANGTURBINECO，LTDDEYANGSICHUAN618000ABSTRACTTRADITIONALLYTHELOWPRESSURELPCYLINDEROFSTEAMTURBINEISDESIGNEDINACCORDANCEWITHTHEEQUILIBRIUMCONDENSATIONTHEORY,HOWEVERINAREALSTEAMTURBINETHENONEQUILIBRIUMCONDENSATIONISHAPPENEDASARESULTADDITIONALLOSSESMAYBEPRODUCEDTHEFLOWSWITHEQUILIBRIUMANDNONEQUILIBRIUMCONDENSATIONINTHELPCYLINDEROFASTEAMTURBINEARESIMULATEDANDCOMPAREDITISSHOWNTHATCOMPAREDWITHTHEEQUILIBRIUMFLOW,THEENTHALPYDROP，REACTIONANDWETNESSINEACHTURBINESTAGE，THESURFACEPRESSURE，ATTACKANGLEANDEXITFLOWANGLEOFEACHBLADEROASWELLASTHELEAVINGVELOCITYOFLASTSTAGEANDTHETHERMALPROCESSINTHENONEQUILIBRIUMCONDENSINGFLOWAREOBVIOUSLYCHANGEDTHERESULTINDICATESTHATITSNECESSARYTOAPPLYTHENONEQUILIBRIUMCONDENSATIONTHEORYTODESIGNTHELPCYLINDERKEYWORDSSTEAMTURBINE，EQUILIBRIUMCONDENSATION，NONEQUILIBRIUMCONDENSATION0引言湿蒸汽流动导致透平效率降低和叶片的水蚀破坏，湿蒸汽问题一直是蒸汽透平中的重要研究课题。传统的湿蒸汽透平设计方法，将蒸汽透平中的凝结流动视为平衡过程，认为在蒸汽膨胀跨越饱和线后凝结即开始发生。然而在透平的实际运行中，由于过饱和现象的存在，蒸汽在跨越饱和线后并不立即凝结，而是继续按照过热蒸汽的性质膨胀，蒸汽因此偏离了饱和的平衡态。随着蒸汽继续膨胀，这种热力不平衡状态也发展到极点，即WILSON点，这时蒸汽中开始突然凝结出大量微小水滴，在随后的流动中，随着凝结放热不断对蒸汽加热，蒸汽逐渐恢复或趋近于热力学平衡状态，这一过程称为非平衡凝结过程。按照平衡凝结理论设计的低压蒸汽透平实际按照非平衡凝结流动规律运行，这样即使在设计T况下，实际运行参数也与设计参数不同，从而作者简介徐小波1972一，男，西安交通大学能源动力1程学院在凑研究生，高级【程师，主要从事产品设汁及标准化L作。12圣言汔粉槭_DONGFANGTURBINE导致额外的损失。为了分析实际低压透平中平衡凝结流动和非平衡流动的差异，本文对某汽轮机低压缸内的流动进行了对比分析。1数值计算模型本文利用CFX软件进行平衡和非平衡凝结流动的分析。非平衡凝结流动的数值模型描述如。非平衡凝结过程产生的一次液滴直径非常小1M，因而可以忽略液滴与气流的速度差异。另外凝结产生的液滴数目巨大，可以在欧拉坐标系中描述。对湿蒸汽混合物的连续方程和动量方程为VCOU01VPUU一VUVU一VP2其中，P，U，P分别为湿蒸汽混合物的密度、速度矢量和压力。湿蒸汽中汽相的连续方程和能量方程为孥一SDMRCJD3塑毒C“，一警砉【R，鼍J4其中，尸，分别为汽相的密度、体积分数、压力、总焓、温度以及控制方程的源项。湿蒸汽中液相的连续方程和水滴数方程为未5NDPJCJD其中，分别为液相的密度、体积分数以及凝结的液滴数目。液滴表面温度按照如下表达式计算7上述方程中，M是质量凝结率，为液滴表2010年第1期面的质量输运，为液滴的成核率。搬为水滴生长率。液滴半径由如下方程计算R8凝结流动求解中水蒸汽实际气体性质采用IAPWSIF97标准计算。2数值方法的验证为了验证CFX计算非平衡凝结流动的性能，进行了两个算例验证。算例一拉阀尔喷管中的凝结流动。文献31X,某缩放喷管中的凝结流动进行了试验研究。首先采用CFXX,F该缩放喷管中的湿蒸汽非平衡态凝结流动进行了计算。图L给出八种进出口条件下非平衡凝结流动中沿喷管轴线的压力分布与试验值的对比。在喉部下游由于成核过程释放的凝结潜热对气流加热，导致压力发生了突跳。可以看出，八种流动条件下计算得到的压力分布与试验值吻合良好。AXLAIDISTABOO，M图1喷管非平衡凝结流动中轴线上的压力分布算例二二维叶栅中的凝结流动。文献【4给出某二维叶栅型线的几何数据和非平衡凝结流动试验结果，对此进行了计算验证。图2给出叶栅的几何形状及两种流动条件下凝结流动中叶栅表面压力沿轴向的分布。两种流动条件分别导致亚音速和超音速出口流动。两种流动条件下，计算捕201OFF第1期捉到的吸力面凝结冲波均与试验值吻合良好。AXIALDISTANCEM图2叶栅非平衡凝结流动中叶片表面压力分布上述算例表明CFX中的凝结模型对湿蒸汽非平衡凝结流动的预测具有令人满意的精度。3某汽轮机低压缸中的凝结流动分析如前所述，为了分析低压透平中非平衡凝结流动与平衡凝结流动的差异，采用CFX软件对某汽轮机低压缸中的平衡凝结流动和非平衡凝结流动进行了对比计算。计算域包括低压缸中的全部六级透平。计算网格采用分块结构化网格，网格总数约500万。湍流计算采用标准KS模型。动静干涉面采用混合平面法进行处理。图3首先给出两种凝结流动的热力过程线。过程线以低压缸进口滞止点为起点，以考虑第六级出口余速的滞止点为终点，给六级透平中各级特征截面上的状态点。可以看到低压缸的前三级处于过热区，第四级跨越饱和线，末两级处于湿蒸汽区，同时可以看到两种凝结流动过程线的明显差异。与平衡凝结流动相比，在第五级中非平圣言汔粉找DONGFANGTURBINE13衡凝结流动的熵值增加很快，引起两者的过程线在这里发生相交，反映了非平衡凝结引起的热力学不平衡损失。第六级仍有非平衡凝结发生，因此两者的过程线继续发生较大的偏离。同时可以看到非平衡凝结流动中末级出厂I余速比平衡凝结流动小约13。ENTROPY图3热力膨胀过程线的对比图4给出平衡和非平衡凝结流动计算得到的各级中问截面叶片的表面压力分布。两种流动计算中进出口边界条件相同。可以看到，前三级叶片表面压力分布基本一致，从第四级静叶出口截面附近开始，非平衡凝结流动中叶片表面压力明显低于平衡凝结流动中的叶片表面压力，二者在第六级动叶出口保持一致。南图3和图4可以看到在低压缸第四级透平中出现了水蒸汽的凝结，前三级的叶片表面压力基本重合，并且两种凝结模型的差异在末三级凸现出来，因此下面给出末三级透平的反动度、叶栅口湿度、攻角和出口气流角沿叶高的分布，来考察两种凝结流动的差异。图5给出反动度沿叶高的分布。非平衡凝结流图4中间截面叶片表面压力分布14圣言汔粉按DONGFANGTURBINE动与平衡凝结流动相比，第四级和第六级的反动度降低，其中第六级的变化更为明显，但第五级却呈现出相反的变化。反动度的变化反映了两种凝结方式下透平级内焓降分配的变化。REACTION图5末三级反动度沿叶高分布图6给出各列叶栅口相对湿度沿口高的分布。对于平衡凝结流动，第四级静叶出【_17011I高以下就已经越过饱和线，开始有明显的湿度出现。这一位置非平衡凝结流动的湿度值则可以忽略，直到第四级动叶出口5O,I高以下才开始现明显的湿度，并且可以看到非平衡凝结流动在越过WILSON线后突然发生的特点，与平衡凝结流动相比，尽管发生非平衡凝结的叶高范围小，但在凝结成核区域，凝结产生的湿度值却大得多。从图中也可清晰看到，非平衡凝结流动中，凝结过程首先在第四级静叶约30叶高处发生，之后逐渐扩展到整个叶高。两种凝结流动在末级中湿度的差异反映了流动中热力过程的改变。图6末二级叶栅出151相对湿度沿叶高分布图7和图8分别给出各级攻角和出口气流角的201O年第1期分布。非衡凝结流动和平衡凝结流动相比，从第四级动叶开始攻角呈现明显的差异，第六级静叶的攻角最大相差5左右，第五级动叶的攻角从正变到负，最大改变达到10左右；第六级动叶出口气流角在7511I高处相差达到了5，其余各级的出口气流角相差很小。两种凝结方式下攻角与出口气流角的差异，体现了非平衡凝结流动对叶型设计的影响。图7末三级攻角沿叶高分布EXITFLOWANGLE。8未二级口气流角沿叶高分布两种凝结方式的过程线、反动度、湿度和气流角的差异，引起各透平级的功率和效率均有变化。两种凝结方式计算得到的流量在工程上可以认为基本相等，因此功率的大小可以通过焓降反映。图9给出与平衡凝结流动相比，非平衡凝结流动中各级的相对变化。尽管凝结只发生于后级，但后三级中流动参数变化的影响在亚音速流动中传播到前J级，因此前J级中的焓降也发生了变化。非平衡凝结流动除第五级外，其余各级焓降均增大，尤其第四级增加显著，而第五级中201O年第1期焓降则明显减少。两种凝结方式下各级焓降分配的变化反映了非平衡凝结对湿蒸汽透平热力通流设计方法的影响。图9非平衡凝结流动中各级焓降变化率4结论采用水蒸汽平衡凝结和非平衡凝结两种凝结模型对某凝汽式汽轮机低压缸内的流动进行了对比分析。结果表明对所分析的低压缸，在相同的进出口条件下，与平衡凝结流动相比，非平衡凝结流动中饱和线下方叶片表面压力分布、级反动度、湿度、叶栅攻角和出口气流角存在明显的差异；整个低压缸热力过程线以及各级透平焓降圣言汔粉拨DONGFANGTURBINE分配发生了明显的变化；末级出口余速明显变化。本文对平衡凝结流动和非平衡凝结流动的对比分析表明，采用传统的平衡凝结设计方法设计的湿蒸汽透平在运行时按照非平衡凝结规律进行膨胀，即使在设计工况下，实际运行参数也与设计参数不同，因而导致功率的变化和效率的降低。本文展示了两种凝结流动过程的差异，也指出按照非平衡凝结规律设计湿蒸汽透平是提高透平效率的一个途径。参考文献【1】MOOREMJSIEVERDINGCHTWOPHASESTEAMFLOWINTURBINESANDSEPARATORSHEMISPHEREPUBLISHINGCORPORATION【M】19762】ANSYSCFXUSERMANUAL【3】CLIFORDA，MORSESGDONTHEGROWTHOFSTEAMDROPLETSFORMEDINALAVALNOZZLEUSINGBOTHSTATICANDLIGHTSCATTERINGMEASUREMENTS【C1JOINTAPPLIEDMECHANICS，FLUIDSENGINEERINGANDBIOENGINEERINGCONFERENCE，1971125【4BAKHTARFEBRAHIMIMWEBBRAONTHEPERFORMANCEOFACASCADEOFTURBINEROTORTIPSETIONBLADINGINNUCLEATINGSTEAMPART1SURFACEPRESSUREDISTRIBUTIONSUPROCINSTNMECHENGRS，PARTC，1995，209115124薛。G东汽要闻王为民荣获第六届四川省科技嗒。；。豢毫2月24日，四川省委、省政府在成都金牛宾馆隆重召开了2009年度四川省利技奖励大会，表彰奖励第六届四川省科技杰贡献奖和2009年度四川省科技进步奖的集体和个人。省委书记、省人大常委会主任刘奇葆出席大会并作重要讲话，省委副书己、省长蒋巨峰主持大会，省委副书记李崇禧，省委常委、副省长钟勉出席大会。东方汽轮机有限公司副总经理兼总工程师、教授级高级丁程师王为民荣获四川省科技界的最高奖励第六