空心靜葉汽膜孔排吹掃除濕的數值研究

謝金偉,王新軍,周駿飛

(西安交通大學能源與動力工程學院, 710049, 西安)

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空心靜葉汽膜孔排吹掃除濕的數值研究

謝金偉,王新軍,周駿飛

(西安交通大學能源與動力工程學院, 710049, 西安)

為了降低蒸汽輪機末級葉片表面的蒸汽凝結和水滴沉積、抑制水膜形成,通過借鑒燃氣輪機氣膜冷卻思想提出在汽輪機空心靜葉表面設置離散的汽膜孔排進行吹掃除濕,使用ANSYS-CFX軟件求解了三維定常黏性雷諾時均N-S方程,采用k-ω湍流模型及壁面函數法數值研究了孔排吹掃除濕性能及其對葉柵主流場的影響。結果表明:當吹汽比小于1.0%時,靜葉表面能夠形成良好的熱汽膜層,葉片表面濕度降低明顯且對主流影響較小;隨著吹汽比的增大和吹掃溫度的提高,葉柵出口的平均濕度降低,主流的流動效率急劇降低。綜合考慮葉片表面濕度和主流的流動效率,在所提除濕結構和0.5%～1.0%吹汽比下除濕效果最好。該結果為開發汽輪機新型高效的除濕方式提供了有益的探索。

空心靜葉;孔排吹掃;除濕;數值計算

隨著超/超超臨界火電汽輪機、核電汽輪機以及核動力艦用汽輪機的大力發展,汽輪機濕蒸汽問題越來越嚴重[1]。有效去除濕蒸汽中的水分、防止或減輕動葉片水蝕,是保證汽輪機安全、可靠運行和提高整個裝置熱效率的關鍵技術之一。

汽輪機內的水相從產生到引起葉片水蝕大致分為5個過程:蒸汽自發凝結、水滴在葉片表面沉積、水膜形成與撕裂、二次水滴產生、運動水滴撞擊動靜葉片[2]。減輕或抑制其中任何一個過程都能在一定程度上降低水蝕的程度。ABB公司于20世紀60年代提出了在空心靜葉表面開設吹掃縫隙并將高溫蒸汽噴入葉柵流道的方法[3],該方法可以降低主流濕度、提高葉片壁面溫度、減緩水滴沉積及水膜形成,最終達到防止或減輕動葉片水蝕的目的。英國AEI公司在20世紀90年代將吹掃結構應用到實際汽輪機中,但除濕效果未見報道。莫斯科動力學院對縫隙吹掃除濕也進行了大量試驗研究,證明了該方法具有較高的除濕效率[4]。王新軍等人試驗研究了縫隙吹掃對靜葉出口二次水滴粒徑分布的影響,結果表明二次水滴的直徑明顯減小,且吸力面吹掃效果優于壓力面[5-6]。王松濤等采用流熱耦合法計算了葉柵出口濕度與縫隙吹掃流量的關系并給出了葉柵能量損失系數,指出吹掃縫隙附近的葉片表面溫度顯著提高[7]。徐亮等數值研究了縫隙吹掃角度與吹掃流量對葉柵出口濕度的影響,并以火用效率進行了經濟性評價[8]。

覆蓋良好的熱汽膜能夠提高葉片表面的溫度,降低葉片表面的蒸汽凝結,阻礙水滴向葉片表面沉積,并從源頭上抑制水膜的形成。因此,本文借鑒燃氣輪機氣膜冷卻思想,提出了在汽輪機空心靜葉表面設置離散的汽膜孔排,并采用ANSYS-CFX軟件初步研究了空心靜葉汽膜孔排的吹掃效果,分析了吹掃對葉柵主蒸汽流的影響。

1 研究對象和設置

圖1 模化的空心靜葉模型

根據汽輪機水相沉積的研究成果[9-10],得出水滴主要沉積在靜葉壓力面的中后部區域。圖1是模化的空心靜葉模型。在靜葉壓力面0.58～0.75相對弦長范圍內開設三排直徑D=2 mm的汽膜孔,相鄰孔排之間采取錯位布置,沿葉高方向的孔間距為4D,孔與葉片表面法向的夾角為45°。吹掃熱蒸汽從空心靜葉內腔體上部進入,通過汽膜孔排噴入葉柵主流。考慮計算的收斂性,內腔體的進口部分向外延伸。

2 數值方法與驗證

2.1 數值計算方法

采用ANSYS-CFX商用軟件求解了三維定常黏性雷諾時均N-S方程,湍流模型采用k-ω模型,在固體壁面處使用壁面函數進行修正。根據IAPWS-IF97給定的公式計算水蒸氣和水的物性參數。

2.2 相變模型選取

以Bakhtar等人的試驗葉柵為驗證對象[11],分別采用平衡相變模型和非平衡相變模型計算了葉柵中的蒸汽凝結過程。圖2是葉片表面壓力的計算結果與試驗數據(編號為1C14SEP9)對比。可以看出,2種相變模型的計算結果均與試驗數據吻合良好。由于平衡相變計算時不考慮具體的水滴成核和生長的過程,計算量比非平衡相變模型大為減小,所以后續的研究均采用平衡相變模型進行計算。

圖2 葉片表面壓力分布對比

2.3 網格無關性驗證

由于空心靜葉內腔體和汽膜孔排的存在,計算模型結構復雜,因此采用ANSYS-Meshing生成非結構四面體網格,在葉片和汽膜孔壁面生成邊界層網格。圖3是網格無關性驗證結果,圖中的流量比和濕度比分別表示不同網格數下計算得到的葉柵出口流量和濕度與網格數為356萬時得到的出口流量和濕度的比值。當網格數大于500萬時,葉柵出口的流量比和濕度比基本不變。

圖3 網格無關性驗證

2.4 計算網格和邊界條件

圖4是數值計算網格。本文網格數為512萬。邊界條件為:葉柵進口給定總壓15.49 kPa、總溫327.79 K、濕度9.39%,葉柵出口給定平均靜壓8.37 kPa;內腔體進口給定吹掃蒸汽質量流量和總溫條件;所有固體壁面均設置為絕熱無滑移光滑壁面,收斂精度為10-6,壁面Y+值均在1左右。

(a)計算網格

(b)尾緣網格 (c)腔體網格圖4 計算網格示意圖

3 計算結果與分析

3.1 吹掃對葉片表面濕度的影響

定義孔排吹掃流量與葉柵進口流量的比值為吹汽比,計算時取0.5%～7.0%,吹掃蒸汽溫度分別取360、380、400 K。圖5是吹掃溫度為360 K時的葉片表面濕度分布云圖和50%葉高截面處孔排附近的流線分布圖。由于孔排錯位布置,所以50%葉高截面僅呈現出2個汽膜孔。作為對比,圖中也給出了無孔排吹掃時的計算結果。

孔排吹掃明顯改變了葉片表面濕度分布。當吹汽比小于1.0%時,吹掃蒸汽速度低,葉片表面形成了良好的熱汽膜層,濕度降低明顯(見圖5a和圖5b);隨著吹汽比的增大,高速熱蒸汽噴射到距離主流場更遠的地方,并在流動過程中被主流壓彎,但在汽膜孔排下游區域重新覆蓋到葉片表面附近。當吹汽比大于4.0%時,圖5a現象更加明顯(見圖5c和圖5d)。吹汽比越大,熱蒸汽膜覆蓋的區域越小,葉片表面濕度降低的程度也就越小。

(a)無吹汽

(b)吹汽比為0.5%

(c)吹汽比為4.0%

(d)吹汽比為7.0% 圖5 葉片表面濕度分布和50%葉高截面處孔排附近的流線分布

圖6是吹掃溫度為360K時48%葉高截面(該截面上無汽膜孔)處葉片表面濕度隨吹汽比的變化,圖中的3條豎直線分別代表三排汽膜孔的軸向位置。當吹汽比為0.5%時,經第一孔排的吹掃,葉片表面濕度約降低2%,隨著吹掃蒸汽與主汽流的摻混,表面濕度略微增加。在第二和第三孔排噴入的高溫蒸汽作用下,葉片表面濕度相比無吹掃時降低了約5%。當吹汽比大于2.0%時,汽膜孔排附近的濕度略有變化,隨后恢復到無吹掃時的水平,在第三孔排之后區域,濕度明顯降低。

圖6 吹汽比對葉片表面濕度的影響

圖7是吹掃溫度對葉片表面濕度分布的影響。可以看出,葉片表面濕度變化趨勢基本一致。吹掃溫度越高,葉片表面濕度降低越明顯。原因是在同樣的熱汽膜覆蓋的情況下,主流區的水滴到達葉片表面必須穿過更高溫度的熱蒸汽膜,這樣葉片表面附近的蒸汽凝結被進一步抑制,所以濕度明顯降低。

圖7 吹掃溫度對葉片表面濕度的影響

3.2 吹掃對葉柵出口平均濕度的影響

圖8是吹汽比和吹掃溫度對葉柵出口平均濕度的影響。根據能量守恒,得出噴入葉柵主流的高溫蒸汽量(吹汽比)越大、吹掃溫度越高,吹掃蒸汽對葉柵主流的摻混和加熱的作用就越強,相應的葉柵出口平均濕度線性降低。

圖8 吹汽比和吹掃溫度對葉柵出口平均濕度的影響

3.3 吹掃對主蒸汽流的影響

圖9和圖10分別是吹掃溫度為380 K、在不同的吹汽比條件下,50%葉高截面處的壓力和溫度分布。孔排吹掃對葉片表面壓力和溫度分布的影響僅局限在孔排附近很小的區域內,且壓力和溫度的變化在到達下一孔排前已基本消除。當吹汽比小于1.0%時,孔排附近的壓力變化小,但溫度升高幅度較大;隨著吹汽比的增大,孔排附近的壓力變化增大,但由于吹掃蒸汽遠離葉片表面,熱汽膜覆蓋的范圍有限,因此葉片表面溫度升高較小。需要說明的是,由于計算時沒有考慮葉片本體的導熱,所以靜葉表面其他區域的溫度沒有明顯變化。

圖9 孔排吹掃對葉片表面壓力分布的影響

圖10 孔排吹掃對葉片表面溫度分布的影響

文獻[2]給出了評價縫隙吹掃流動效率的公式,考慮吹掃蒸汽與主流蒸汽參數的差異較大,需對公式進行修正。孔排吹掃結構的流動效率

(1)

圖11是吹汽比和吹掃溫度對流動效率的影響。隨著吹汽比的增大和吹掃溫度的升高,主流的流動效率降低。原因是吹汽比越大,吹掃溫度越高,吹掃蒸汽與主流的摻混作用越強烈。另外,腔體內部的流線混亂(見圖5),當吹汽比較大時還會出現旋渦,這也是流動效率降低的重要原因。

圖11 吹汽比和吹掃溫度對流動效率的影響

圖12為葉柵出口汽流角隨吹汽比和吹掃溫度的變化。吹汽比增大,出口汽流角略微減小,但吹掃溫度的影響不明顯。當吹汽比較小時,吹掃蒸汽基本上沿著葉片壁面流動(見圖5b),且葉片尾緣沿切向流出;當吹汽比較大時,吹掃蒸汽沿與主流成一定夾角的方向進入主流區(見圖5d),對葉柵內的流動干擾很大,因此汽流角變化相對較大。出口汽流角最大變化不到0.4°,說明采用汽膜孔排吹掃結構后,蒸汽從各個離散孔噴入葉柵流道內,其對主流的阻滯作用比較分散。

圖12 吹汽比和吹掃溫度對出口汽流角影響

3.4 吹汽比的綜合考慮

從3.1～3.3節的分析得知,隨著吹汽比的增大,葉柵出口平均濕度降低,但孔排吹掃蒸汽難以在葉片表面形成良好熱汽膜層,葉片表面濕度較大,同時主流的流動效率下降明顯。隨著吹掃溫度的升高,葉片表面濕度和葉柵出口平均濕度均減小,主流的流動效率也降低。從葉片防水蝕方面考慮,吹汽比的合理選取更為重要。

眾所周知,汽輪機濕蒸汽中的水滴有兩類:一類是蒸汽自發凝結與生長形成的一次水滴,占水相總質量的90%以上,對葉片的危害并不大;另一類是葉片表面的流動水膜在尾緣處被汽流撕裂并霧化形成的二次水滴,它是造成動葉水蝕的根本原因,占總濕度的5%～10%[12]。顯然,降低葉片表面濕度的意義要大于降低葉柵出口的平均濕度。

當吹汽比小于1.0%時,孔排吹掃能在葉片表面形成覆蓋良好的熱蒸汽膜,進而有效地抑制了小水滴沉積和水膜形成。綜合考慮葉片表面濕度和主流的流動效率,在本文設定的結構條件下能形成最佳汽膜覆蓋效果的吹汽比在0.5%～1.0%。如果要在較大的吹汽比下保持良好的汽膜覆蓋,就應增大吹掃孔排的總面積。

4 結 論

借鑒燃氣輪機氣膜冷卻的思想,提出在汽輪機空心靜葉表面設置離散的汽膜孔,并初步數值研究了孔排吹掃對濕度與流動的影響,結論如下。

(1)在本文孔排布局和結構下,隨著吹汽比的增大,葉柵出口平均濕度和主流的流動效率降低,葉片表面濕度較大;隨著吹掃溫度的升高,葉片表面濕度和葉柵出口平均濕度以及主流的流動效率降低。

(2)綜合考慮葉片表面濕度和主流的流動效率,在本文設定的結構條件下,0.5%～1.0%的吹汽比能夠在葉片表面形成良好熱汽膜層,葉片表面濕度降低明顯。

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(編輯 苗凌)

Numerical Investigation on Steam Film Holes Blowing for moisture removal on Steam Turbine Hollow Blade Surface

XIE Jinwei,WANG Xinjun,ZHOU Junfei

(School of Energy and Power Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

To reduce the steam condensation and moisture deposition on the last stage of steam turbine, three rows of disperse steam film holes are set on the surface of a hollow stator blade with the reference of the gas turbine film cooling system. The moisture removal performance of this method and its influence on the blade main flow field are numerically investigated by solving the 3-D Reynold time averaged Navier-Stokes equation with the ANSYS-CFX commercial code, as well as thek-ωturbulence model and the wall function. The results show that when the steam blowing ratio gets less than 1.0%, the hot steam film on the blade surface is prone to form and the wetness of the surface declines apparently, and this level of blowing ratio slightly affects the main flow. With the increase of the blowing mass flow rate or the blowing temperature, the averaged cascade outlet wetness decreases, however, the flow efficiency of the main flow decreases sharply in consequence. Considering the blade surface wetness and the main flow efficiency, the best moisture removal performance can be achieved in this designed structure as the steam blowing ratio is taken between 0.5% and 1.0%.

hollow blade; steam film hole blowing; moisture removal; numerical calculation

2014-11-12。

謝金偉(1989—),男,碩士生;王新軍(通信作者),男,副教授。

時間:2015-04-27

10.7652/xjtuxb201507011

TK263

A

0253-987X(2015)07-0061-06

網絡出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20150427.1754.008.html