大功率汽轮机湿蒸汽级两相凝结流动的数值模拟与分析

2 0 1 0 年第2 期 圣 言 芘粉 II DoNGF ANG TURBI NE 1 7 巫志华吴其林赵世全 东方汽轮机有限公司 四川 德阳 6 1 8 0 0 0 摘 要 采用真实气体平衡态计算模式和非平衡态自发凝结两相流动计算模式两种不同的计算方法对某大功率汽轮机低 压末两级内三维湿蒸汽两相凝结流动进行 了模拟和分析 计算表明非平衡效应引起湿蒸汽级组内流量 焓降在各级之间 的分配 叶栅出 口气流角 各级反动度都有发生变化 关键词 大功率汽轮机 平衡态 非平衡态 湿蒸汽级 两相凝结流动 Nu me r i c a l Si mu l a t i o n a n d An a l y s i s o f T wo p h a s e Co n d e n s a t io n F l o ws i n t h e W e t St e am St a g e s o f a Hi g h Po wer Tu r b i n e Wu Z h i h u a Wu Qi l i n Z h a o S h i q u a n Do n g f a n g T u r b i n e Co L t d De y a n g S i c h u a n 6 1 8 0 0 0 Ab s t r a c t W i t h t h e e q u i l i b ri u m c o n d e n s a ti o n mo d e l a n d n o n e q u i l i b riu m c o n d e n s a t i o n mo d e l t h e n u me ri c a l s i mu l a t i o n a n d a n a l y s i s o f t wo p h a s e we t s t e a m flo ws i n t h e l a s t t wo s t a g e s o f a h i g h p o we r t u r b i n e wa s p e r f o r me d T h e r e s u l t s s h o we d t h a t t h e n o n e q u i l i b r i u m e ffe c t l e a d e d t o t h e v a r i a t i o n o f t h e m a s s fl o w r a t e o f t h e t u r b i n e s t a g e s t h e e n t h a l p y d i s t ri b u t i o n t h e o u t l e t f l o w a n g l e o f c a s c a d e a n d t h e r e a c ti o n d e g r e e o f t h e t u r b i n e s t a g e K e y wo r d s h i g h p o we r s t e a m t u r b i n e e q u i l i b riu m n o n e q u i l i b riu m we t s t e a m s t a g e t wo p h a s e c o n d e n s a t i o n flo w 0引言 湿蒸汽两相凝 结流动广泛存在于火 电和核电 汽轮机 中 湿蒸汽两相凝结流动 的出现一方面降 低 了流动 的效率 另一方面水滴对叶片冲蚀将 导 致结构安全 问题 虽然湿汽 问题对汽轮机的设计 运行 非常重要 但三维湿蒸汽 的凝结流动 由于存 在相变而导致其精确的实验测量和数值模拟都 比 较 困难 在实际设计过程中 常采用 由B a u m a n n 于 1 9 2 1 提 出的经验公式 来考虑湿 汽损失 这一经 验公式并没有坚 实的理论支持而可能无法满足现 代大功率汽轮机 设计 中以高效率和高可靠性 为 目 标的要求 在现代大功率火 电汽轮机中 湿蒸汽 级的做功能力能 占整机 的1 0 以上 而对压水堆 核 电汽轮 机 进 口蒸汽 则为饱和湿蒸汽 鉴于 当 前汽轮机仍在电力工业 中占据着主导的地位 对 湿蒸汽凝结流动进行广泛深入 的研究是很有必要 作者 简介 巫志 华 1 9 7 8 一 男 博士 2 0 0 6 年毕业于西安交通大学能源与动力工程学 院 主要从事 汽轮机 的设计研 发工作 1 8 f 索 言 芘 粉拨 I DONGF ANG TURBI NE 的 国外许 多透平制造企业联合大学 研 究所对 湿蒸汽凝结流动进行 了大量的研究 并取得 了不 少成果 上述研究中 对湿蒸汽凝结流动的研究工作 主要集中在喷管和单列叶栅上 从公开发表的文 献来看 对汽轮机级组环境下的三维两相凝结流 动试验研究和数值模拟都很少 文献 5 中对一台 小功率汽轮机末三级 内的流动进行 了三 维数值分 析 比较 了有凝 结与无凝结两种流动计算结果 但该文无凝结的计算模型中 工质性质 的计算并 没有采用真实气体性质模型 而在大功率汽轮机 设计和计算中 对湿蒸汽凝 结流动通常采用平衡 态计 算模型来进行 为进一步分析有凝 结与无凝 结两种流动之间的差异 本 文就平衡态模式 以及 非平衡凝结模式两种不 同的计算方法对某大功率 汽轮机低压末两级的湿蒸汽 两相凝结流动进行了 数值模拟 比较 了两种模型计算结果的差异 数理模型和计算方法 1 1平衡态计算的数理模型 本文 中采用 的平衡态计算方法是把汽液混合 物当作单相流体处理 这样流动 的控制方程就是 通 常的N a v i e r S t o k e s N S 方程 在 直角坐标系 下 这一方程组的守恒形式可以写成 一0 U 一 O Ec 堡 丝 堡 堡 亟f 1 1 a t 8 x 8 v az b c 8 v 8 Z E p u p 十P pu v p u w p Hu p v pu v l p P p p Hv Go 0 c G I T g p w p u w p v w p w P p Hw 2 0 1 0 年第2 期 其中 P表示混合物密度 v W 为速度分量 P是静压 为应力张量 E p e O 2 十 2 表 示总能 为 了使得方程组封 闭 需要补充状态方 程来描述压力 在完全气体计算模式 中 可以采 用完全气体的状态方程 P 一 1 p e 其中选取 适 当的气体常数和 比热比 如对湿蒸汽 通常把 气体 常数取为4 6 1 5 J k g K 比热比取 1 1 3 5 这种方法得到的工质性质与实际湿蒸汽性质间存 在差异 在本文 中的平衡态模型计算 中对压力的 描述采用如下表达式 P p e P 3 即对平衡态气体的描述不再采用类似完全气 体状态方程而直接从水和蒸汽性质表 中求得 采 用 比能P 和密度 两个独立的变量 水和蒸汽性质 通过I A P W S I F 9 7 得到 1 2非平衡凝结流动的数理模型 采用文献 7 中建立了完全欧拉 欧拉模型来 描述凝结流动 该模型假设汽液两相 间无滑移 湿蒸汽两相流动可 以采用两相分开处理 其中混 合物 中的蒸汽 为汽相 液相 为大量分散在汽相中 凝结水滴 相间的作用通过相应 的源项来表示 气相的控制方程可用通常的可压缩N s 方程加表示 相变引起 的源项来描述 在直角坐标系下可 以写 成 au 警 警 警 c4 三 二 l d p p u p P Q l p v I l p E l 0 l I E l J I g F p u w p g Hu 0 yx qy G p p p p l p g V 2 P la I p p S g p P p Hw Pm Pu m V PWm p ro h fg h t 5 其中 P g P h 龟 分别表示气相 密度 水蒸气混合物 的密度 蒸汽相的总能 应 o I 0 2 0 l 圣 右 汽 扮 拨 f DONGF ANG TURBI NE 道 内流动的变化使得动 叶进 口攻角也发生 了明显 的变化 Z m 0 4 1 图2 a次末级中叶展 处压力分布 Z m 图2 b末级 中叶展处压力分布 图3 给 出了两种计算模型下透平级中各列 叶栅 出口的湿度沿叶 葛 分布 曲线 从 图上可以发现两 种计算模型下 次末级 的湿度分布有更为明显的 差别 从次末级静叶栅 出口的湿度分布来看 采 用非平衡凝结计算模 型的结果表 明 在叶栅顶部 基本上还没有 出现凝 结 非平衡模型计算得 到的 次末级动叶出 口湿度分布趋势也与平衡态模 型的 有 明显差异 但末级的静动叶出 口湿度分布趋势 则基本一致 这主要是 由于末级进 口蒸汽 己经带 有一定的湿度所致 我们知道 非平衡凝结过程 中包含了成核和水滴成长两个过程 如果非平衡 凝结流动过程 中仅仅包含水滴成长过程 则非平 2 0 1 0 年第2 期 衡效应的影 响会 比较小 这也意味着如果进 13是 带有一定湿度的蒸汽 则非平衡凝结的影响会减 弱 图3叶栅出口湿度沿叶高分布 图4 给 出了两级各列叶栅出口气流角沿叶高分 布情况 从 图上可 以发现两种计算模型下 静叶 栅出口气流角相差最大可达1 度 以上 这对通流设 计的影响是很明显的 而从图5 的级反动度分布曲 线上也充分反映了 由于非平衡凝结引起气流角的 变化进而导致反动度 的变化 从图5 的反动度分布 来看 相对于末级而言 非平衡凝结对次末级的 影响更为显著 这与前面 的压力分布 以及湿度分 布是一致的 从非平衡凝结 的计算结果来看 次 末级的反动度 明显减小 而末级的反动度分布虽 然变化不大 但根部反动度也有所减小 这在设 计 中需要引起重视 D e g r e e 图4 a 次末级静叶栅出口气流角分布 2 O 1 0 年 第2 期 d D e g r e e 图4 b末级静叶栅出口气流角分布 B D e g r e e 图4 c次末级动叶栅出口相对气流角沿叶高分布 图4 d末级动叶栅出口相对气流角沿叶高分布 圣言 乞 扮揍 DONGF ANG T URBI NE 图5 a次末级反动度分布 21 3结论 图5 b末级反动度分布 采用真实气体平衡态计算模 式和非平衡态 自 发凝结两相流动模式两种不同的计算模型 对某 大功率低压末两级 内湿蒸汽两相凝结流动进行 了 模拟 分析计算结果可得出如下结论 1 非平衡效应使透平级的通流能力增大 级 的焓降分配也发生了改变 2 多级环境下的非平衡凝结流动比单一喷管 或者单 叶栅通道 内的流动要复杂得多 通过喷 管计算或试验得出的结论不能简单应用于多级环 境下的流动 下转第2 7 页 2 0 1 0 年第2 期 4结论 本文研究 了透平进 口温度 压力和环境温度 对有机 朗肯循环输 出功的影响 在给定余热条件 下 采 用模拟 退火 算法对 循环 的参 数进行 了优 化 得到 了最优运行状态所对应 的参数和功率 得到以下结论 1 在本文所使用的有机工质 朗肯循环中 循环净输出功 随着透平进 口压力 的提高 先是增 加 而后减少 随着透平进 口温度从相应压力下 的饱和温度增加到最高温度 循环净输 出功不 断 减小 环境温度对有机 朗肯循环影响较大 大概 有3 0 的功率随着环境温度升高而减少 2 在给 定的余热条 件下 通过优化 得 出 采 用R 2 3 6 f a 为工 质 循 环 的输 出净 功率 最 大 参考文献 1 H D Ma d h a wa He t t i a r a c h c h i M i h a j l o Go l u b o v i c W i l l i a m M W o r e k Ya s uy u k i I k e g a mi Opt i m u m d e s i g n c rit e ria f or a n Or g a n i c Ra nk i ne 圣 言 浅扮接 DONGF ANG TURBI NE 2 7 c y c l e u s i ng l ow t e mpe r a t u r e g e o t he r m a l h e a t s o u r c e s J E n e r g y 2 0 0 7 1 9 2 Ul l i Dr e s c h e r Di e t e r B r u g g e ma n n F l u i d s e l e c t i o n for t h e Or g a n i c Ra n k i n e C y c l e ORC i n b i o ma s s p o we r a n d h e a t p l a n t s J A p p fi e d Th e r ma l e n g i ne e ring 2 0 07 2 7 2 2 3 2 2 8 3 Y C h e n P L u n d q v i s t A J o h a n s s o n P Ha t e l 1 A c om p a r a t i ve s t ud y o f t he c a r b on d i ox i de t r a n s c r i t i c a l p o we r c yc l e c omp a r e d wi t h a n o r g a n i c r a n k i n e c y c l e wi t h P 1 2 3 a s wo r k i n g fl u i d i n wa s t e h e a t r e c o v e r y J A p p l i e d t h e ma l e n gin e e fi n g 2 0 0 6 2 6 2 1 4 2 2 1 4 7 4 刘志刚 刘咸定 赵冠春 工质热物理性质计算 程 序 的 编制 及应 用f M 北京 科 学 出版 社 1 9 9 2 5 张家荣 赵廷元 工程 常用物质的热物理性质 手册 M1 北京 新时代 出版社 1 9 8 7 6 6 康立 山 谢 云 尤 矢勇 罗祖华 非数值并行 算 法 第一册 模拟退火算法f M 北京 科学出 版社 1 9 9 4 一 上接第2 1 页 3 多级环境下 非平衡效应对叶栅 出口气流 角有 明显影响 使级反动度 发生变化 在本文考 察的算例中 非平衡效应导致根部反动度减小 参考文献 1 Mo o r e M J e t a 1 Ae r o t h e r mo d y r n a m i c s o f L o w P r e s s u r e S t e a m Tur bi ne s a nd Cond e ns e r s U S A He mi s phe r e Pu b s Nn g Co r po r a t i o n 1 9 87 8 7 1 2 2 2 B a k h t a r F E b r a h i mi M We b b R A On t h e P e rf o r ma n c e o f a Ca s c a d e o f Tu r bi ne R o t o r Ti p S e fio n Bl a di ng i n Nuc l e a tin g S t e a m Pa r t 1 Su rfa c e Pr e s s u r e Di s t r i bu tions Pr oc I ns m M e c h Eng r s Pa rt C 1 9 95 2 09 1 1 5 1 2 4 3 J B o l m D Ke rpi c c i H Re n J S u r k e n N Ho mo g e n e o u s a n d