濕式汽輪機葉片級聯熱蒸汽噴射最佳位置的綜合研究

耿建華

摘要：汽輪機中的冷凝現象產生了復雜的光譜液滴尺寸。眾所周知，液滴尺寸分布可以為汽輪機設計者提供重要的信息。在模擬中，液滴半徑通常是在單分散模型中建模的。在該模型中的每個位置都報告了液滴半徑的一個大小。在本研究中，提出了一種新的方法。將液滴分組為多分散模型，并與單分散模型進行比較。成核區分為20個部分。液滴是由小滴并形成一個群的成核現象，在成核區開始時產生的液滴具有最大的尺寸，末端尺寸最小。在最大成核速率下產生的液滴對侵蝕速率和冷凝損失的影響最大。平均液滴半徑在多分散模型中，比單分散模型小。在所提出的方法中改進了49%。

關鍵詞：濕式汽輪機;綜合研究

0 ?引言

熱力循環中的一大部分能量損失與汽輪機有關，汽輪機不是用濕蒸汽流工作的，液體的存在導致效率降低和機械損壞，如侵蝕，這導致高費用、高成本的汽輪機。本研究采用熱蒸汽注射法減少凝結損失和侵蝕速率。HSI位置對吸力和壓力表面流動的壓力分布、馬赫數和液體質量分數的影響。為此，在吸力和壓力的幾個位置被認為是選擇合適的注射位置。

1 ?研究內容

本研究采用EEHIC（熵產生、侵蝕速率、HSI比、葉片入口質量流量和冷凝損失）方法選擇最合適的HSI位置。 結果顯示，在吸力側注入比壓力側注入對上述參數更有效。吸入側的HSI（葉片中心線的最低溫度）降低了冷凝液，離子損耗和侵蝕速率與無注入情況相比分別為81%和99%。

今天，凝結現象發生在許多工業設備，如超音速噴嘴、熱壓縮器、汽輪機葉片、噴射器和冷凝器。在低壓汽輪機末段膨脹過程中，過熱蒸汽通過飽和線進入兩相流動區和大量細滴液體形成。渦輪葉片內液相的存在造成熱力學損失、氣動損失、葉片侵蝕、侵蝕破壞和熱效率降低。另一方面，濕度的增加降低了濕汽輪機的效率。

最近，已經進行了大量的研究，提供信息和實驗數據來驗證，以更好地理解蒸汽冷凝流動。測量了渦輪葉片在壓力和吸力側的壓力分布。為了模擬濕蒸汽流動，采用各種數值模型來求解濕蒸汽流動。將單流體模型與雙流體模型進行了比較。還采用矩量法計算了兩種液滴半徑。通過考慮非平衡冷凝的影響，研究了熱壓縮器和噴射器中的流動行為。研究了進口濕度對汽輪機和壓縮機葉片濕蒸汽流量的影響。

研究人員有興趣將工程系統中傳熱和粘性剪切應力的不可逆性降低到最小狀態，以達到更好的性能。熵的產生需要被認為是衡量工程系統設計中不可逆轉性的標準。很明顯的減少熱力學損失。

格伯和克爾米研究了噴嘴濕蒸汽流動的熱力學和氣動損失。Lakzian和Shaabani研究了聚結過程對熵產生的影響。在收斂發散噴嘴中冷凝濕蒸汽流動。在此基礎上，考慮聚結過程，熵產生量增加。鑒于沒有提供關于由于體積加熱和HSI的預期效應的經驗證據，研究人員考慮到了這一問題。利用一維解析研究了體積冷卻和加熱對兩相流、凝結沖擊位置和熵產生參數的影響收斂發散噴嘴中的離子。研究了入口過熱和體積冷卻作為控制濕蒸汽流冷凝的兩種實際選擇的影響。結果表明，這兩種技術都能有效地降低熱壓縮機和汽輪機的濕性損失，提高其性能。

通過渦輪葉片的體積加熱來減少產生的濕性。他們指出，使用一定量的體積加熱可以降低產生的熵。在定子串級通道中開發并安裝了端壁柵欄。他們探討了不同加熱強度和不同放置位置對性能的影響。在收斂發散噴嘴中將熱蒸汽注入濕蒸汽流，并研究了其對兩相流動參數的影響。利用算法他們提出了收斂發散噴嘴中HSI的最佳用量，并指出HSI可以降低濕度和液滴半徑。

控制凝結現象是汽輪機葉片性能的關鍵問題。控制冷凝現象的方法之一是HSI進入通道。徐等人建議在葉片后緣進行HSI。降低出口液體質量分數。此外，注射對液滴的影響較大由格里賓等人編寫。然而，上述論文還沒有詳細研究蒸汽噴射的最佳位置。考慮到壓力分布、馬赫數和液體質量在吸力側附近與壓力側不同，本研究考慮了吸力和壓力側的不同位置，為HSI選擇了最佳位置。注射的每個位置和無注射情況采用EEHIC方法分析，也可以通過比較該方法的結果來選擇注射的最佳位置。此外，利用湍流模型模擬了渦輪葉片的粘性流動。

2 ?計算方法，數值法

2.1 管理方法

本研究采用歐拉法和單流體模型求解質量、動量和能量守恒方程以及液滴數和濕度方程。在該模型中，同時計算了液相和氣相，并求解了液滴和蒸汽流體相結合的控制方程。兩相之間的滑移速度。由于液滴半徑小或阻力小，被忽略。

P=Pv=PL1ρ=1-yρvh=（1-y）hvyhl，其中P表示壓力，ρ表示密度，h表示焓。下標v和l分別表示氣相和液相。 連續性、動量、能量、液體質量分數和液滴方程：？墜ρ？墜t（ρuj）？墜xj=0。？墜（ρui）？墜t？墜（ρujui Pδji）？墜xj-？墜τji？墜xj=0。？墜（ρE）？墜t？墜（ρujH）？墜xj？墜（qj-uτji）？墜xj=0。？墜（ρy）？墜t？墜（ρujy）？墜xj=ΛnucΛgrow。？墜（ρn）？墜t？墜（ρujn）？墜xj=J。

2.2 成核和液滴生長方程

在沒有顆粒和離子的非平衡條件下形成液滴，稱為均相成核。為此，分子簇必須克服自由臨界能量障礙，形成一個具有臨界半徑的液滴。從方程中得到了形成球形液滴所需的吉布斯自由能。ΔG=4πr2σr-mRTvln（PPs（TV））。

本研究中的表面張力σr認為等于平板的表面張力。對于每個過冷單相蒸汽，吉布斯自由能變化包含一個最大點。該點對應的半徑稱為臨界半徑r*=2σrρlRTvln（PPS（TV）。即開爾文-埃爾姆霍茲方程。經典成核方程表示單位時間蒸汽單位質量產生的超臨界液滴的數量。JclaSS=qc2σrπm-3/2ρvρlexp（-4πr=qc2σrπm-2σr3KbTv），其中QC表示凝結系數，等于1。

KB表示Boltzmann常數，m表示分子的質量。包括Kantrowitz在內的各種修正被應用于E中使用的經典成核方程。Jka=11？覬Jclass，其中？覬表示溫度修正系數，并從方程中得到。？覬=2（γ-1）（γ1）HLVRTV（HLVRTV-12），其中HLV表示潛熱。相位變化由兩個質量源定義。Λnuc=43πρlρr*3J（17）Λgrow=4πρlρnr2drdtΛnuc顯示在成核過程中產生的液滴產生的源質量速率，Λgrow表示質量凝聚在液滴生長過程中的液滴。

其中r和drdt分別是液滴半徑和液滴生長。DRDT=Phlvρl2πRT（γ12γ）CP（TL-TV）

液滴溫度是用Gyarmathy近似計算的，這已經得到了研究者的高度考慮，Tl=Ts（P）-Ts（P）-Tv）r*r。

參考文獻：

[1]龐得奇.新型濕式空冷凝汽器在汽輪機上的應用實踐[J].冶金能源，2017，36（02）：35-37.

[2]趙歡.火電廠凝汽式汽輪機冷端運行優化探究[J].科學技術創新，2018（28）：159-160.

[3]殷高飛.汽輪機高壓汽缸裂紋分析及補焊工藝選擇[J].內燃機與配件，2019（24）：113-114.