核電汽輪機低壓級內水滴沉積與疏水槽除濕性能研究

姚金玲，王新軍，李曦濱，范小平

(1.西安交通大學能源與動力工程學院，陜西西安，710049；2.東方汽輪機有限公司，四川德陽，618000)

核電汽輪機低壓級內水滴沉積與疏水槽除濕性能研究

姚金玲1，王新軍1，李曦濱2，范小平2

(1.西安交通大學能源與動力工程學院，陜西西安，710049；2.東方汽輪機有限公司，四川德陽，618000)

采用商用軟件CFX對某核電汽輪機低壓末三級葉柵通道中的水滴沉積規律進行了三維數值模擬，并初步研究了靜/動葉片表面上的水膜流動特性，評估了次次末級后與次末級后疏水槽的除濕性能。結果表明：二次水滴比一次水滴更容易沉積在葉片表面上；水滴在葉片內弧的總沉積水量最多可達到背弧的10倍；靜葉片上的水膜厚度沿軸向逐漸變薄，而動葉片上的沿軸向先緩慢變厚再變薄；兩個疏水槽的除濕效率在11%左右。

核電汽輪機，水滴沉積，疏水槽，除濕性能

0 引言

隨著高參數大功率汽輪機的大力發展，汽輪機中的濕蒸汽問題變得日益嚴重。尤其是核電汽輪機，如果不采取除濕措施的話，低壓缸的排汽濕度將會超過20%[1]。根據汽輪機長壽命、高效率以及保證安全的原則，各廠家在設計汽輪機時必須考慮汽輪機內濕度的問題。目前，國內外各汽輪機生產廠家和科研機構對汽輪機除濕結構與技術進行了許多研究[2-4]，并發展出了各種形式的除濕方法和結構[5]。

汽輪機中的水滴主要是由一次水滴和二次水滴構成的。已有的研究結果表明:二次水滴是引起動葉片水蝕的直接根源。因此，研究核電汽輪機葉柵通道內水滴的運動與沉積規律以及葉片表面水膜的流動特性將有助于合理設計除濕結構，具有重要的理論意義和工程實用價值。

1 水滴運動與沉積規律數值計算

1.1 數值計算方法

汽輪機低壓缸通流中的流動是極其復雜的濕蒸汽兩相流動，流動過程不僅要考慮每一相內部的作用，還要考慮相與相之間的相互作用。本文在數值計算水滴的運動特性時，假定水滴是球形的并且尺寸不發生變化，忽略了重力及其他作用力對水滴的影響，水滴碰撞到固體壁面沒有反彈而直接被捕獲。

CFX中通過積分拉氏坐標系下的顆粒作用力微分方程來求解離散相顆粒的軌道。顆粒的作用力平衡方程在笛卡爾坐標系下的形式為:

式中:

μg—蒸汽分子粘性系數；

ρg—蒸汽的密度；

ρP—水滴的密度；

dP—水滴直徑；

ReP—水滴雷諾數；

CD—阻力系數，其定義為:

式中，b1=0.1862436，b2=0.6529，

b3=0.4373157，b4=7 185.353。

1.2 計算模型與網格

某核電低壓缸末三級的基本結構和計算網格如圖1所示，在計算域進口與出口都加了延伸段，兩個疏水槽分別位于次次末級動葉后和次末級動葉后。網格為HOH型結構化網格，總數為4.3× 106。進口給定總溫總壓，出口給定靜壓，兩個疏水槽的出口給定質量流量。

圖1 計算模型與網格

低壓末三級進口的平均蒸汽濕度為6.3%，水相質量流量為13.7 kg/s。根據文獻中的方法[6]，估算出末三級靜葉前一次水滴的平均直徑約為1μm。葉柵進口處的二次水滴直徑及直徑分布采用式（4）得到。

式中:

σ—水滴的表面張力；

Wecr—水滴的臨界韋伯數，≈14；

ps—蒸汽的密度；

cs—蒸汽的速度矢量；

cw—水滴的速度矢量。

三個級進口的二次水滴平均直徑分別為17.6 μm，48.1μm和94.45μm。圖2和圖3分別是一次水滴和二次水滴的質量分布圖。

圖2 一次水滴群質量分布曲線

圖3 級進口二次水滴的質量分布圖

1.3 計算結果與分析

圖4和圖5分別給出了次次末級葉柵通道中一次水滴和二次水滴的運動軌跡。從圖中可以看出，二次水滴更容易被葉片壁面所捕獲，這是由于水滴直徑越大，運動慣性也大，保持原有運動狀態的能力越強，撞擊并沉積在葉片和汽缸表面的可能性越大。當水滴直徑大于14μm時，水滴的徑向分速度很小，運動軌跡幾乎為直線，絕大部分水滴都能撞擊到葉片表面并沉積下來。

圖5 次次末級內二次水滴的運動軌跡

根據水滴的運動軌跡，可以得到水滴撞擊在葉片壁面上坐標位置，并統計出末三級各葉片內/背弧不同軸向與徑向位置的水滴沉積量與沉積率。

圖6和圖7分別是次次末級葉片內/背弧上的水滴沿軸向和徑向的沉積量與沉積率分布。水滴在靜/動葉片軸向和徑向有相對沉積集中的區域，在葉片內弧的沉積量最大可達背弧的10倍。

圖6 次次末級葉片內/背弧水滴沿軸向的沉積量

圖7 次次末級葉片內/背弧水滴沿葉高的沉積量

2 水膜流動特性與疏水槽除濕性能

2.1 水膜流動特性

圖8和圖9分別為靜/動葉片內弧與背弧上水質量分數的分布云圖。從圖中可以看出，靜葉內弧表面上的水膜較均勻；背弧上的水膜呈間斷狀。動葉內弧表面的水膜向葉頂方向聚集，這樣有利于疏水槽對水分的收集；背弧只在靠近葉頂的部分區域有水膜形成。

圖8 靜葉表面上水質量分數分布云圖

圖9 動葉水質量分數分布云圖

圖10和圖11分別為靜/動葉表面上的水膜厚度在四個葉高截面沿軸向的變化曲線圖。在25%葉高處，液相水直接被甩向了葉頂方向，在葉片表面沒有形成水膜。背弧水沉積量較小，進口的水質量流量較低，表面大部分區域水膜厚度還未達到水膜的臨界厚度，只有在90%葉高處有水膜形成。內弧與背弧表面的水膜厚度沿軸向都是先緩慢變厚再變薄。

圖10 靜葉片上水膜厚度

圖11 動葉片上水膜厚度

2.2 疏水槽除濕性能

進入疏水槽的液相分為三部分:級進口的水滴、動葉出口邊撕裂形成的水滴和動葉表面沉積水分沿徑向甩入的部分。

圖12為級進口水滴在兩個疏水槽內的運動軌跡。根據進入疏水槽內的水滴直徑和百分比，通過換算，得到次次末級和次末級后疏水槽捕獲的水質量流量分別占進口總水質量流量的0.994%和2.125%。

圖12 級進口水滴在疏水槽內的運動軌跡

圖13為動葉出口邊撕裂形成的水滴在疏水槽內的運動軌跡圖。次次末級和次末級后疏水槽捕獲的水質量流量占進口總水質量流量的0.77%和0.32%。

圖13 不同直徑的水滴在疏水槽內的運動軌跡

沉積在動葉表面上的水分隨著動葉旋轉將會甩入疏水槽，如圖9(a)所示。計算到次次末級動葉表面上的沉積水分沿徑向甩入疏水槽的水質量流量比為9.32%。因此次次末級后疏水槽的總除濕率為以上3部分相加，最終結果為11.084%。

次末級動葉表面上的沉積水分沿徑向甩入疏水槽的水質量流量比為9.38%。次末級后疏水槽的總除濕率的最終結果是11.8%。

核電汽輪機疏水槽的除濕效率如表1所示。2個疏水槽的除濕率也分別與文獻[7]提出的結論相一致。

表1 核電低壓缸疏水槽的除濕性能匯總表 %

3 結論

采用粒子輸運模型對某核電汽輪機低壓缸末三級葉柵內一次與二次水滴運動軌跡以及沉積量進行三維數值計算的結果表明:二次水滴較一次水滴更容易沉積；內弧的沉積量最大可達背弧的10倍。

疏水槽內去除的絕大多數水分為動葉表面上沉積的水分沿徑向的水滴。次次末級后疏水槽捕獲的水質量流量占進口總水質量流量的11.084%，次末級后疏水槽為11.8%。

[1]楊曉輝,單世超.核電汽輪機與火電汽輪機比較分析[J].汽輪機技術,2006,48(6):404-407

[2]王新軍,高鐵瑜,徐廷相.汽輪機空心靜葉去濕縫隙結構的研究[J].熱能動程,2005,20(1):14-17

[3]Petr V,Kolovratnik M.Modelling of the droplet size distribution in a low-pressure steam turbine[J].Proc.Inst.Mech. Engrs,2000,214(Part A):145-152

[4]Crane RI.Droplet deposition in steam turbines[J].Proc.Inst.Mech.Engrs,2004,218(Part C):859-870

[5]A.J.White,J.B.Young and P.T.W alters.Experimental validation of condensing flow theory for a stationary cascade of steam turbine blades[J].Phil.Trans.R.Soc.Lond,1996, 354(1704)：59-88

[6]俞茂錚,姚秀平,孫弼,等.核電600MW汽輪機末級空心靜葉去濕結構設計方案計算與分析[R].1997

[7]Hofer,et al.M oisture Removal Pocket for Im proved M oisture Removal Efficiency[P].2002-4-23

Research on Deposition ofWater Droplets and Moisture Removal in LP Last Three Stages of Nuclear Steam Turbine

Yao Jinling1，Wang Xinjun1，Li Xibin2，Fan Xiaoping2
（1.School of Energy and Pow er Engineering,X i'an Jiaotong University,X i'an Shaanxi,710049; 2.Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

In this paper,w ater drop letsmovement and deposition characteristics in LP last three stages cascade channel for a nuclear steam turbine w ere first numerically calculated.Flow characteristicsof the w ater film on the stator/rotor blade surface w as prelim inarily studied.Moisture removal performance in the circum ferential slots downstream the third last stage and the second last stage was calculated and evaluated.The resultsshowed that the coarse dropletswere easier to be deposited on the blade surface than that of fine droplets.The dropletsdeposition mass on the blade pressure surface wasmaximally 10 times that on the suction surface.Water film thicknesson the stator blade decreased along the axial direction.Water film thicknesson the rotor blade along the axial direction first became thick gradually,and then became thin.M oisture removal rate of tw o circum ferential slotswere about 11%.

nuclear steam turbine,w ater depositions,circum ferential slot,moisture removal performance

TK262

：A

：1674-9987（2014）01-0013-06

姚金玲 （1989-），女，西安交通大學能源與動力工程學院碩士研究生。