亚音速条件下Bakhtar叶栅内蒸汽流动的数值模拟

第53卷第5期2011年1O月汽轮机技术TURBINETECHNOLOGYVO153NO50CT，201L亚音速条件下BAKHTAR叶栅内蒸汽流动的数值模拟范永春，徐惠坚1广东省电力设计研究院，广州510663；2哈尔滨商业大学，哈尔滨150028摘要汽轮机末几级内蒸汽的凝结流动对机组效率及安全运行都会产生重大影响，但对这种双相流动的研究却比较困难，因此有必要对透平叶栅内蒸汽的凝结过程进行深入的研究。BAKHTAR等通过特殊设计的实验装置，在平面叶栅上对某次末级叶栅进行了实验研究。对其实验结果进行了亚音速条件下的数值模拟研究，以期对该流动机理有深入一些的了解。关键词亚音速；BAKHTAR叶栅；蒸汽；数值模拟分类号TK261文献标识码A文章编号10015884201105035803NUMERICALSIMULATIONOFTHESTEAMSUBSONICFLOWINBAKHTARCASCADEFANYONGCHUNXUHUIJIAN1GUANGDONGELECTRICPOWERDESIGNINSTITUTE，GUANGZHOU510663，CHINA；2HARBINUNIVERSITYOFCOMMERCE，HARBIN150028，CHINAABSTRACTTHECONDENSINGFLOWOFTHESTEAMINTURBINELASTSTAGESWILLHAVEGREATINFLUENCEONTHEUNITEFFICIENCYANDTHESAFEOPERATION，BUTITISDIFFICULTTOSTUDYTHISTWOPHASEFLOW，SOITISNECESSARYTOFURTHERINVESTIGATETHECONDENSINGPROCESSOFTHESTEAMINTURBINECASCADEBAKHTARANDHISCOOPERATORSTESTINVESTIGATEDTHESECONDLASTSTAGEINTHELINEARCASCADEBYTHESPECIALDESIGNEDTESTEQUIPMENTTHEPRESENTPAPERNUMERICALSIMULATEDTHETESTRESULTSWITHTHESUBSONICFLOWCONDITION，WANTTOUNDERSTANDTHEFLOWMECHANISMDEEPLYKEYWORDSSUBSONIC；BAKHTARCASCADE；STEAM；NUMECALSIMULATION0前言为了研究二维叶栅内蒸汽的凝结流动，BAKHTAR等在英国伯明翰大学设置了一种能产生过冷蒸汽的冲放式BLOWDOWN蒸汽风洞，用实际工作叶栅作了大量的试验，提供了较丰富的实验结果。BAKHTAR实验装置的最关键特点在于能够提供试验所要求工况下的过冷蒸汽。图1给出了BARHTAR的实验装置图，蒸汽收集容器为28M的箱体，供应蒸汽由速效阀1进入试验段。一般速效阀的开启时间为70MS，以满足在试验段建立准稳态流动。一次测量持续的时间为700MS，在此期间，进口的总压和过冷度将从100KPA和IOK变化到995KPA和1025K，变化量很小。此外，收集容器里的压力每图LBAKHTAR湿蒸汽流动实验装置图秒下降1，设备名义运行总时间为05S。阀2为蝶形阀，它控制在亚音速条件下排入冷凝器的蒸汽流量和出口背压。饱和蒸汽充满收集容器，经试验段再排入冷凝器。在不损失蒸汽初始动能的情况下通过收集容器的膨胀来产生满足试验工况条件的蒸汽过冷度。经研究中等程度过冷度下的蒸汽成核率极小，如压力100KPA在22K和30K过冷度下每公斤蒸汽的成核率分别为10S和10”S，甚至高速流动下的蒸汽过冷度上限可超过30K。因此，收集容器需要能保持20K左右的过冷蒸汽，其在试验段进一步流动膨胀就能自发凝结成核。1BAKHTAR实验叶栅及实验工况BAKHTAR等对某次末级动叶顶部截面做了平面叶栅实验，图2显示了实验测试部分，它共有5个叶片流道。正中间的流道为实验有效流道，为了满足不同测量，中间两个叶片单独形成一个可互换单元。其中一个用于测量叶片表面压力，另一个用于光学观察。图3给出了实验叶片的叶型，叶高为76MM，测压点分布在叶片中部截面上。按实际运行工况选取节距为3692MM，汽流进口角与周向成128。BAKHTAR等利用此实验装置进行了多个工况的蒸汽流动收稿日期20110811作者简介范永春1976一，男，广东三水，大学本科，高级工程师，主要从事大型火力发电厂设计。第5期范永春等亚音速条件下BAKHTAR叶栅内蒸汽流动的数值模拟359图2试验段流道示意图进口气流角距图3次末级动叶顶部截面型线试验，表1给出了亚音速条件下实验工况的参数。从P。P进口总压与出口静压的比值，称试验压比栏中可以看到有12和14两个层次，每个层次的实验压比下有两种不同温度的进口蒸汽，一个为过热度超过30K的过热蒸汽，一个为过冷度超过10K的过冷蒸汽。对照其工况参数，本文利用数值模拟的结果与BAKHTAR实验结果进行对比分析，研究不同工况下此叶栅流道内蒸汽的流动特性。表1亚音速条件下BAKHTAR试验工况参数2BAKHTAR试验叶栅的数值模拟叶栅进出口边界采用实验工况参数，流道左右两侧为周期性边界，叶片设为固壁无滑移边界。图4给出了此叶栅的计算网格，在叶片周围采用结构化O型网格对其加密，流道内采用非结构化三角形网格，网格总数接近5万。图5显示了工况1、工况2叶栅内马赫数场。从图可看出两工况下叶栅内马赫数的分布基本相同，为亚音速流动。工况1的进口蒸汽处于过冷状态，在叶栅内有凝结发生，图6为工况1叶栅内湿度分布，它显示出在叶片出汽边压力面侧有微小的湿度区湿度数量级为10I9，说明叶栅内蒸汽凝结的强度极弱。在工况2下，具有35K过热度的进口蒸汽在整个叶栅内为亚音速膨胀流动，其蒸汽状态也一直为过热状态图4试验叶栅的网格结构工况1工况2图5工况1、工况2的等马赫数线图6工况1的等湿度线图7给出了工况1、工况2下型面压力的计算与实验值的比较。两工况下计算与实验值吻合得都很好，且两工况的型面压力分布基本相同。工况2中吸力面相对轴向弦长40处的表面曲率半径发生改变，而且汽流此时刚好进入喉部下游，从而产生过膨胀引起压力突然发生变化；工况1中，吸力面相对轴向弦长40处的压力变化受两个方面的影响一是此位置表面曲率半径的改变，二是此位置开始发生的蒸汽凝结。对照工况2中的型面