蒸汽透平静叶栅均质与非均质凝结流动数值研究

第55卷第5期2013年L0月汽轮机技术TURBINETECHNOLOGYVOJ55NO50CT2013蒸汽透平静叶栅均质与非均质凝结流动数值研究鞠凤鸣，颜培刚，韩万金1哈尔滨工业大学能源科学与工程学院，哈尔滨150001；2哈尔滨汽轮机厂有限责任公司，哈尔滨150046摘要基于存在自发凝结的均质与非均质湿蒸汽两相流动，开发了基于汽液两相双流体模型和K一湍流模型的计算方法，对二维叶栅中的均质与非均质凝结流动进行了数值研究与分析，结果表明，蒸汽中含有一定量的杂质可以有效地改善湿蒸汽的流动状况，减小非平衡凝结流动产生的热力学损失。对由外界提供的凝结核心在不同的初始浓度和初始半径时，叶栅内的流动状态进行了数值分析，结果表明非均质凝结流动随初始粒子半径的减小与浓度的增大而增强，自发凝结流动被逐渐抑制，但是完全的非均质凝结流动使得叶栅出口处的湿度增加，所以根据不同的叶栅应选择合适的初始粒子半径和浓度。关键词汽轮机；湿蒸汽；自发凝结；非均质凝结；凝结核心分类号TK123文献标识码A文章编号10015884201305035104NUMERICALSTUDYONHOMOGENEOUSANDHETEROGENEOUSCONDENSATIONFLOWINSTATOROFSTEAMTURBINEJUFENGMING，YANPEIGANG，HANWANJIN1COLLEGEOFENERGYSCIENCEANDENGINEERING，HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGY，HARBIN150001，CHINA；2HARBINTURBINECOMPANYLIMITED，HARBIN150046，CHINAABSTRACTINVIEWOFSPONTANEOUSHOMOGENEOUSANDHETEROGENEOUSCONDENSATIONFLOWOFTWOPHASEWETSTEAM，ACALCULATIONMETHODISDEVELOPEDBASEDONVAPORLIQUIDTWOPHASEFLOWMODELANDK一一KPTURBULENCEMODE1THENUMERICALSTUDYISCONDUCTEDONTHEHOMOGENEOUSANDHETEROGENEOUSCONDENSATIONFLOWIN2DCASCADE，ANDTHERESULTSSHOWCERTAINQUANTITYOFFOREIGNMATTERINSTEAMCANEFFECTIVELYIMPROVETHEFLOWBEHAVIOROFWETSTEAMANDREDUCETHETHERMODYNAMICLOSSDUETONONEQUILIBRIUMCONDENSATIONFLOWANUMERICALANALYSISISCONDUCTEDFORTHEFLOWBEHAVIORINCASCADESATDIFFERENTINITIALCONCENTRATIONANDINITIALSIZEOFFOREIGNCONDENSATIONNUCLEUSTHERESULTSSHOWTHAT，WITHSMALLERINITIALPARTICLESIZEANDHIGHERCONCENTRATION，THEHETEROGENEOUSCONDENSATIONFLOWWILLBECOMESTRONGERANDTHESPONTANEOUSCONDENSATIONFLOWISMORERESTRAINEDHOWEVER，COMPLETELYHETEROGENEOUSCONDENSATIONFLOWWILLINCREASETHEMOISTUREATTHEOUTLETOFCASCADESTHEREFORE，APPROPRIATEINITIALPARTICLESIZEANDCONCENTRATIONSHALLBESELECTEDFORDIFFERENTCASCADESKEYWORDSSTEAMTURBINE；WETSTEAM；SPONTANEOUSCONDENSATION；HETEROGENEOUSCONDENSATION；CONDENSATIONNUCLEUS0前言在蒸汽透平的低压级，当流体膨胀越过饱和线以后，流体达到过冷状态，当没有外界提供凝结核心时，蒸汽要从亚稳定状态达到稳定状态则必须通过在较高的过冷度下发生自发凝结来实现，这时伴随着较大的气动损失和能量损失；当流体中含有外界粒子时，流体则可以直接在外界粒子提供的凝结核心上发生凝结，降低凝结发生时所需要的自由能障，促进凝结的发生，从而部分或完全抑制了自发凝结过程，这种凝结过程称为非均质凝结。非均质凝结的存在减小了凝结成核过程的不平衡损失，有效地提高了汽轮机的热效率，因此得到研究者们越来越多的关注。在实际蒸汽透平中，工质中通常都含有少量多种的可溶N见的为NAC1，这些杂质可以作为凝结核心，提供了凝结发生的条件，所以在实际透平中，自发凝结与非均质凝结流动通常同时发生，或者只发生非均质凝结流动。具体的发生哪种流动与初始杂质所提供凝结核心的浓度和粒径密切相关。STASNY等人研究了杂质颗粒的浓度对湿蒸汽非均质凝结流动的影响，指出蒸汽中含有足够多的杂质微粒时，自发凝结被完全抑制，热力学不平衡导致的损失被大大降低。GERBER发展了一种针对跨音速流动中湿蒸汽非平衡凝结过程及液滴运动过程进行数值模拟的异质多项模型。YAMAMOTO_4等编制了一套CFD数值模拟程序，该程序具有针对湿蒸汽两相流动现象的多项求解功能，其中包括对于凝结成核现象的准确模拟，同时可以计算非平衡自发凝结流动和非均质凝结流动。本文选取NACL作为外界所提供的凝结核心，在对自发凝结与非均质凝结进行对比分析的基础上进一步对二维叶栅内含有不同初始粒子浓度和半径的凝结核心时的非均质收稿日期20130708作者简介鞠凤鸣1971，男，博士研究生，研究员级高级工程师，主要从事叶轮机械设计研究。354汽轮机技术第55卷在比较小的范围时，蒸汽分子就直接在由这些粒子所充当的凝结核心上凝结来实现热力学的平衡。初始粒子浓度的增大意味着蒸汽分子可以在更多的凝结核心上实现凝结生长、释放气化潜热，此时，当液滴在大浓度的凝结核心上增长到较小浓度时形成粒子平均半径时，已经能够实现热力学的平衡，液滴便不再继续生长，所以当液滴浓度增加的时候，非均质凝结形成的液滴的平均半径反而减低。当粒子的初始半径为比较大的1010M时，凝结核心的体积已远大于蒸汽分子形成液滴的体积，外界粒子不再具有充当凝结核心的能力，所以此时不论粒子浓度如何改变，叶栅内都只发生自发凝结流动随着初始粒子半径的减小，粒子充当凝结核心的作用增强，非均质凝结现象增强，对自发凝结流动的抑制作用也增强。当粒子初始半径减小到1010一M，粒子浓度为1010“KG时，非均质凝结形成粒子的平均半径达到最大值307710M，但仅靠非均质凝结流动现象已经不能实现热力学能的平衡，所以此时虽然粒子初始半径足够小，但仍有自发凝结现象发生。32外界核心的初始粒径对非均质凝结流动的影响的基础上来分析不同的初始粒子半径对叶栅非均质凝结流动的影响。各液相参数在叶栅出口处的质量平均值，从左向右各参数的物理意义表1相同。由表2可以看出，在浓度一定的条件下，随着粒径的减小，自发凝结流动逐渐减弱，非均质凝结流动加强，叶栅出口处非均质凝结形成的液滴半径逐渐增加，并且相同粒子半径时，浓度越小，非均质凝结形成的液滴半径越大，具体原因已经说明，不再重复。这里重点分析叶栅出口处总的湿度，可以看出，当粒子浓度为1010KG，粒子半径为1010M时，所得叶栅出口处的总的湿度最大，这说明此时，外界粒子有效地促进了叶栅内的非均质凝结流动，通过与完全发生自发凝结的对比可以得到，在完全发生非均质凝结流动时叶栅出口处的总的湿度大于完全发生自发凝结时叶栅出口处总的湿度约高2028。通过表1的对比可以看出当粒子初始半径为1010一M，粒子浓度为1010KG时，出口处的总湿度最小，此时的流动为以非均质凝结流动为主并伴随有自发凝结流动的状态，所以，在进行非均质凝结流动时，应综合衡量透平的各热力学参数与液相参数，选取最为在不同的初始粒子浓度对叶栅非均质凝结流动的影响合适的初始粒子半径与浓度。表2不同粒径时叶栅出口处的液相参数的平均值4结论杂质微粒的浓度和半径是影响非均质凝结流动的两个重要因素。当微粒半径大于液滴凝结临界半径时，微粒不起凝结核心作用，凝结仍按自发非平衡过程进行。当微粒半径小于一定值时，自发凝结与非均质凝结并存。在所研究的微粒浓度范围内，随着微粒浓度的增加，总凝结流动中自发凝结所占比例下降，非均质凝结所占比例上升，直至达到完全非均质凝结。在合理的杂质颗粒类型、浓度和初始粒径的条件下，采用非均质凝结技术也能够降低非平衡凝结过程中的过冷度，减弱或消除凝结冲波，达到既降低蒸汽非平衡凝结的热力学损失，又降低蒸汽湿度。参考文献1陈红梅，李亮，丰镇平透平级中自发凝结及叶栅中非均质凝结流动的初步研究J工程热物理学报，2005，2665682STASNYM，SEJNAMTWOPOPULATIONNUMERACALMODELOFHETEROHOMOGENEOUSCONDENSATIONOFTHESTEAMFLOWINGINTURBINECASCADESA4THEUROPEANCONFERENCEONTURBOMACHINARYFLUIDDYNAMICSANDTHERMODNAMICSFIRENZECITALY，20018038L23GERBERAGINHOMOGENEOUSMULTIFLUIDMODELFORPREDICTIONOFNONEQUILIBRIUMPHASETRANSITIONANDDROPLETDYNAMICSJJOURNALOFFLUIDSENGINEERING，2008，13031114YAMAMOTOS，YASUHIROS，SHOICHIMS，KENTAROSPARALLELIMPLICITCOMPUTATIONOFTHREEDIMENSIONALMULTISTAGESTATORROTORCASCADEFLOWSWITHCONDENSATIONRAIAA一20074460，20075鞠凤