汽輪機渦輪葉片成核區研究

崔立達

摘要：本文介紹了一種特殊的計算方法，當蒸汽狀態從平衡到非平衡，很小的水滴是自發產生的，這種現象稱為成核。在沒有外部顆粒的情況下，隨著流動的不斷膨脹，蒸汽的平衡狀態發生變化，成為非平衡蒸汽，這種蒸汽稱為過冷。兩種模型的計算冷凝損失，多分散模型中的侵蝕速率小于單分散模型，因為多分散模型的液滴平均半徑小于單分散模型。

Abstract： This paper introduces a special calculation method， when the steam state from equilibrium to non-equilibrium， very small droplets are spontaneously produced， this phenomenon is called nucleation. In the absence of external particles， as the flow continues to expand， the equilibrium state of the steam changes and becomes non-equilibrium steam， which is called supercooling. The erosion rate of the polydisperse model is lower than that of the monodisperse model， because the average droplet radius of the polydisperse model is smaller than that of the monodisperse model.

關鍵詞：汽輪機;成核;過冷

Key words： steam turbine;nucleation;supercooling

0 ?引言

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。

在汽輪機流動中，凝結現象引起復雜的液滴光譜可以跨越兩個數量級以上的大小。液滴尺寸的分布是解決和最小化渦輪機蒸汽中濕蒸汽效應的基本信息。濕蒸汽的影響是能量損失、葉片侵蝕和由于相變區的腐蝕效應而導致的葉片失效，從而導致渦輪增壓減少效率和可靠性。

在這些條件下，由于液滴的成核和凝結，蒸汽可以接近平衡狀態，并提供了兩相流動。研究表明，當然刀片會有更多的損壞。可以說，這些葉片中超過50%的失能取決于腐蝕、應力腐蝕和疲勞腐蝕等機制。低壓葉片會由于與水滴的碰撞而產生侵蝕。侵蝕在葉片表面提供了一些孔，這些孔是葉片斷裂的原因。很明顯，在相同的濕度條件下，較小的液滴提供較少的機械損傷。在實際濕蒸汽流中，葉片中產生了較寬的液滴半徑譜和侵蝕譜。速率取決于液滴大小和液體質量分數。在大多數研究中，假設在每個控制體積的末端平均液滴半徑是為了簡單。

冷凝相變中不可逆的內部傳熱產生熵，這是熱力學損失的原因。此外，釋放產生的潛熱，液滴的快速生長增加了溫度和流動壓力，而非等熵和不縮合膨脹流入。壓力的增加被稱為冷凝沖擊，這降低了流出率，造成了氣動損失。1%的濕度的存在可以降低1%的效率。為了對冷凝現象進行數值研究，在渦輪葉片和噴射器噴嘴許多類型的研究中采用了單分散方法。在這種方法中，報告了每個位置的液滴大小的值。

有兩種方法對液滴進行多分散建模，以獲得液滴的尺寸分布。在第一種方法中，在成核區產生的液滴被分成一些基團和組，每組分別求解濕度方程、液滴數、液滴生長方程和液體溫度方程，演示了這種多分散模型的方法。

真空噴射器是兩級壓縮機，無運動部件。第一階段（聲波升壓）和第二階段（速度升壓）的能量都來自動機的動能蒸汽。蒸汽從蒸汽噴嘴排出越快，擴散器中的壓縮比越大。動力蒸汽的動能是通過將焓（顯熱和潛熱）加上蒸汽壓力轉化為速度來得到的。而動力蒸汽中的水分在上游蒸汽噴嘴從噴射器中提取熱量，從而從噴射器中提取動能，蒸汽噴嘴下游的水分反映了熱量與速度的有效轉換（等熵膨脹），即焓向速度的轉換。同樣的原理也適用于汽輪機，其中動力蒸汽速度旋轉渦輪輪而不是蒸汽壓力。聲波升壓的損失突然降低了整個射流系統的蒸汽負荷。由于下游冷凝器卸載，射流排放壓力降低。但是，這推動了在上游真空系統中備份的氣體，氣體流量的突然增加。在這種方法中，在每個控制體積下從成核區產生的液滴被收集在一組中，該組生長到渦輪葉片的末端，沒有質量平均來平衡生長的液滴半徑與由成核現象產生的液滴。根據成核區中假定的控制體積的數目來創建基團。這種方法從未用于任何研究。在二維和三維模型中使用該模型是非常困難的，它有很多計算成本。

當濕蒸汽在渦輪葉片上流動時，葉片收斂部分的截面、壓力和溫度降低，而馬赫數上升，使流動具有聲波性。在此之后，盡管馬赫數和流動截面增加，壓力和溫度繼續下降。在沒有外部顆粒的情況下，隨著流動的不斷膨脹，蒸汽的平衡狀態發生變化，成為非平衡蒸汽，這種蒸汽稱為過冷。當蒸汽狀態從平衡到非平衡，很小的水滴是自發產生的，這種現象稱為成核。水滴是由自發產生的，蒸汽凝結所需的表面被制備出來，凝結發生。通過冷凝蒸汽，釋放潛熱，他的熱量被轉移到流動中，發生了冷凝沖擊。基于瑞利流動特性，當熱量被轉移到超音速流動時，它增加了壓力，降低了馬赫數。吸入側X/Xc=0.73處的壓力增加是由于喉部發生冷凝沖擊所致。吸入側X/Xc=0.81處的壓力增加是由于空氣動力引起的動態沖擊。在多分散模型中，與多分散模型相比，吸力側的單分散模型冷凝沖擊發生的時間略有延遲。比較了多分散模型和單分散模型的液滴平均半徑和葉片的實驗半徑。在光傳輸理論中實驗測量液滴半徑的假設之一，已經概述，所有液滴都具有均勻的尺寸。但結果檢查認為所考慮的假設是不正確的。因此，在實驗測量中使用了平均半徑，在多分散模型中，每組液滴半徑都有一個值。因此，所有群體的平均值都是必需的為了與單分散模型進行比較。葉片中心線及其末端的實驗半徑為5.7×10-8米，多分散模型在該位置的液滴平均半徑為6.62×10-8米，單分散模型的為9.44×10-8米。

對于多分散模型，該葉片相對于實驗半徑的誤差值為16%，對于單分散模型，為65%。多分散液滴的平均半徑與單分散模型相比會小一點，其值更接近實驗數據，與單分散模型相比，其結果提高到49。

1 ?多分散和單分散模型的比較

將多分散模型中的成核率、有核液滴和液體質量分數與葉片中心線的單分散模型進行比較最大成核速率。多分散模型的葉片中心線為1.36×1022，單分散模型的葉片中心線為4.89×1021，單位為1kg.s，最大成核速率值為2.78倍。一種單分散模型、多分散模型的中線和葉片末端液滴數為6.3×1016，單分散模型的液滴數為2.16×1016，單位為（1kg）和DR在多分散模型中產生的比單分散模型大2.91倍。

在多分散模型中，成核率和有核液滴大于單分散模型，且多分散模型中的成核區范圍略大于單分散模型成核區的范圍。在最大成核速率下，發生冷凝沖擊。在多分散模型中，最大成核速率略高于單分散模型，表明多分散模型中的冷凝沖擊發生率較小。多分散模型中的液體質量分數值首先小于單分散模型，兩種模型的液體質量分數幾乎相等。演示了多分散和單分散模型的成核率、液滴數和平均半徑液滴的輪廓。多分散模型中的成核率和液滴數大于單分散模型，多分散模型中液滴半徑的平均值較小單分散模型。給出了多分散模型與葉片末端單分散模型的凝結損失和侵蝕速率的比較。兩種模型的計算冷凝損失，多分散模型中的侵蝕速率小于單分散模型，因為多分散模型的液滴平均半徑小于單分散模型。

2 ?研究具有臨界半徑的液滴比和成核率

表示葉片中心線成核區的成核速率、臨界半徑、過冷度和過飽和度比。核內有核液滴的半徑區域等于臨界半徑。成核區葉片中心線有核液滴的臨界半徑范圍為6.57E-10m至1.2E-9m。有核液滴在每個位置具有不同的過飽和比值和過冷度。成核率、過冷度和過飽和度比值的最大值與臨界半徑的最小值匹配。在單分散模型中，用有核液滴半徑和DR的質量平均計算成核區的半徑。在每個位置報告半徑的值，在完整的多分散方法中，假設成核區中每個控制體積中的有核液滴開始生長不做質量平均操作，每個控制體積產生液滴組。

3 ?多分散模型中的成核區和分液滴的特殊方法

考慮到在完整的多分散模型中計算量大，本文介紹了一種特殊的計算方法。在本文提出的多分散模型中，有20個液滴基團。在渦輪葉片中使用較少的計算。首先，成核區根據成核區的高度和每個區域產生的液滴在地理上分為20個部分放置在每組中。10為單分散模型演示了該區域的高度。根據高度表示成核區的分割。表中表示了各組中產生的最大成核速率。第1組有最小的成核率，第10組的成核率最大。從第1組到第10組，每組中的最大成核速率增加，從第10組到第20組，這個值減少無花果。11代表核心利用在多分散模型中分割液滴的特殊方法，將速率放置在第五組和第十組中。

4 ?渦輪葉片中的多分散模型

當濕蒸汽在葉片中流動時，葉片收斂部分的截面、壓力和溫度降低，馬赫數增加，使喉部的流動具有聲波性。流動聲波后，壓力和溫度降低，流動的馬赫數和截面增加，過冷度指定TH的偏差平衡態的蒸汽增加。通過增加過冷值，產生液滴，但由于液滴不多，對流動的影響很小。通過增加液滴的數量，更多的潛熱被轉移到蒸汽中。當過冷度最大化時，更多的潛熱被移動到發生冷凝沖擊的地方。通過增加液滴及其生長，介紹了多分散法渦輪葉片壓力比、馬赫數、溫度和液體質量分數的變化輪廓。

參考文獻：

[1]裴天意，王浩.火力發電廠汽輪機組的節能降耗方法論述[J].設備監理，2019（06）.

[2]馬曉赟.淺議如何提升300MW汽輪機機組的經濟性[J].山東工業技術，2017（16）.

[3]郭學良.汽輪機組推力瓦溫度高原因及處理分析[J].化工管理，2017（03）.

[4]姚勝威.火力發電廠汽輪機組節能影響因素分析及其降耗對策探討[J].自動化應用，2017（08）.

[5]李力.火力發電廠汽輪機能損問題的管理方案研究[J].中國戰略新興產業，2017（36）.

[6]潘劍冰.汽輪機輔機常見故障及檢修方法研究[J].中國設備工程，2017（20）.

[7]張良.談核電同火電汽輪機的比較分析[J].科技與企業，2014（20）.

[8]張瑞山.330MW供熱汽輪機組惰走時間異常問題的分析及解決[J].應用能源技術，2016（12）.

[9]孟凡垟.火力發電廠汽輪機組節能減耗措施分析[J].石化技術，2017（02）.