干燥百科:核电汽轮机末级空心静叶抽吸除湿研究

  • 2021-05-21 17:11:20
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(1.上海电气电站技术研发中心通流与叶片技术研究所,上海201612;2.西安交通大学能源与动力工程学院,西安710049)值计算,得出水滴沿静叶相对叶高和相对叶宽的沉积量,并讨论不同除湿槽几何参数对空心静叶抽吸除湿性能的影响。结果表明:水滴主要沉积在空心静叶压力面的上半部分,少量沉积在吸力面进口边和上端壁表面。

压力面上的除湿槽应当在工艺许可的条件下尽量靠近出口边,吸力面上的除湿槽应尽量和压力面除湿槽开设在同一压力水平上;除湿槽宽度增大时并不一定有利于提高除湿效率,*佳宽度与汽流速度和抽吸压比有关;除湿槽角度应在工艺许可的条件下应尽量小一些。研究结果对后续的试验研究及工程设计具有指导意义。

在火电汽轮机低压缸和核电汽轮机中,蒸汽常处于湿蒸汽两相流动状态,不仅会使在湿蒸汽区工作的汽轮机级效率降低,而且湿蒸汽中的水滴会导致汽轮机末几级叶片的水蚀损坏。由于核电汽轮机的蒸汽进口参数已经接近或达到饱和状态,湿蒸汽流动引发的问题更加突出,如果不采取除湿措施,蒸汽在末级出口处的湿度将高达24%0,对核电汽轮机运行的安全性和经济性带来很大危害,因此对核电汽轮机的除湿方法进行研究具有十分重要的意义。

核电汽轮机除湿技术可分为外部除湿技术和内部除湿技术2.其中,在空心静叶上设置除湿基金项目:上海市博士后科研资助计划重点项目(B类)(11R214200)-),男,毕业于西安交通大学能源与动力工程学院,工学博士,工程师,主要从事汽轮机的设计与开发工作。

槽,利用槽内外的压差去除水膜、减少静叶出气边水膜破裂形成的二次水滴数量,从而消除或减轻动叶水蚀,是*有效的除湿方法之一,在大功率火电和核电汽轮机中得到了广泛的应用。然而如果除湿槽设计不当,不仅不能达到理想的除湿效果,还会引起气动效率下降。空心静叶除湿槽的除湿效果与除湿槽开设的位置、形状、尺寸、角度等因素有关,必须针对具体汽轮机的工作情况进行设计。本文对某核电汽轮机低压缸末级内的水滴运动和沉积规律进行了数值研究,并在此基础上分析了末级空心静叶除湿槽的几何结构对除湿性能的影响。

1水滴沉积规律数值计算1.1数值计算方法其中汽相流场的计算采用水蒸汽非平衡凝结流动模型、SST两方程湍流模型和自动近壁面处理技术;水滴运动轨迹的计算采用粒子输运模型3.汽轮机低压缸中的湿蒸汽两相流动极其复杂,计算过程中根据实际情况作了一些合理的简化假定。

旋转坐标系中的粒子运动方程如下:其中:Fd是作用在粒子上的曳力;Fb是由重力引起的浮力;Fr是由旋转引起的力(向心力和哥氏力);Fvm是虚拟质量力;Fp是压力梯度力;Fba是Basset力。通过简化假设,只需考虑Fd和Fr,其它力皆可忽略。相间曳力Fd由以下公式计算:其中:PF是汽相密度;Af是粒子有效截面积;Uf和Up分别是汽相和液相的速度。Cd是阻力系数,使用以下公式计算:1.2计算模型和边界条件是末级静叶未开除湿槽时的几何模型,网格总结点数约为216万。

末级结构示意图由于核电汽轮机末级的叶片较长,其通道内的流动呈现出强烈的三维效应,为了使数值模拟更加接近真实情况,末级的进口边界参数均沿叶高分布给定。其中,进口总压和进口汽流角从低压缸非平衡凝结流动的计算结果中提取,进口总温为64.99C,末级出口背压为5. 9kPa.各湿蒸汽级中的二次水滴不断在汽流力和离心力作用下向叶尖方向移动,会改变通流中湿度在叶高方向的分布。因此,本文根据4拟合并确定了末级前次、二次水滴的流量及其沿叶高的分布。

一次水滴的平均直径从低压缸非平衡凝结流动的计算结果中取得,由于一次水滴直径相差不大,为方便计算,其直径取为平均值0.341pm.二次水滴的大小和分布根据5介绍的方法确定。

1.3计算结果及分析表1汇总了一次、二次水滴以及全部液相在末级静叶栅通道各个壁面上的沉积情况。本文中沉积率定义为某种水滴的沉积量与其对应的进口流量之比。一次水滴主要通过湍流扩散作用沉积在壁面上,在静叶和上端壁沉积率都很小;二次水滴则主要通过惯性运动沉积在壁面上,因此沉积率较大,占据了液相沉积量的绝大部分。其中,大多数沉积在静叶表面,少数沉积在上端壁,这是由于末级静叶前紧靠着抽汽口,导致这一区域的蒸汽具有较大的径向分速度。

表1次、二次水滴在静叶栅通道表面的沉积情况位置一次水滴二次水滴液相沉积量沉积率沉积量沉积率沉积量沉积率单位静叶下端壁上端壁总计给出了液相在静叶表面沿压力面和吸力面相对叶宽的沉积率分布。从图中来看,液相在压力面上的沉积率都远大于吸力面。一次水滴主要沉积在静叶压力面中后部,并且沉积率表现出随机性。二次水滴在压力面各位置上的沉积率都比较大,特别在叶宽后半部分除靠近尾缘部分以外沉积率是递增的。前缘附近的沉积率比较大,这与叶型有关。在吸力面上,次水滴几乎没有沉积,二次水滴的沉积几乎全部在前20%叶宽内,并且绝大部分集中在前缘附近。

相对叶宽相对叶宽2除湿槽几何参数的影响空心静叶开槽抽吸除湿的除湿效率与除湿槽的位置、尺寸、角度、形状以及汽流流动状态有密切的关系。目前使用数值方法还难以模拟空心静叶除湿槽抽吸水膜的过程,本文从除湿槽结构参数改变对流场影响的角度出发,结合前人的试验研究结果,间接地讨论除湿槽结构参数对除湿性能的影响。

2.1计算模型是末级空心静叶除湿槽结构示意图。本文在研究除湿槽结构参数变化对除湿效率的影响时,保持叶高上半部分为开槽区域,除湿槽采用双排交错布置形式,研究除湿槽位置、宽度和角度变化对除湿效率的影响。

依据以往的实验研究结果,本文计算了以下几种结构:(1)除湿槽位置:压力面开槽位置不变,吸力面开槽分别位于0.2 ~0.3相对叶宽、0.3~0.4相对叶宽(原设计)和0.4 ~0.5相对叶宽;(2)除湿槽宽度:0.35mm、0.(3)除湿槽角度:30.、45.(原设计)、60°、75°和90°。改变某一结构参数时,均保持其它参数与原设计相同。

2.2边界条件在分析不同的除湿槽结构时均设定为相同的边界条件、末级静叶进口给定总压和总温、出口给定静压,具体参数与本文1.2中流场的计算条件相同。2.3计算结果及分析2.3.1除湿槽位置对除湿效率的影响由可知,末级静叶上半部分叶高范围内的液相沉积量占据了液相总沉积量的绝大部分,约为静叶总沉积量的83. 4%.此外,根据动叶水蚀系数公式水蚀系数E的大小与末级前湿度y的平方和末级动叶片轮周速度u的三次方成正比,这两个参数都随着叶高增加而显著增大,所以对动叶起侵蚀作用的主要是沉积在静叶上半部分的水分。为了保证静叶的强度和刚度,除湿槽在叶高方向上开设的长度不宜太大,因此开设在上半部分叶高范围内比较合理。

从来看,液相在压力面上的沉积量占空心静叶表面总沉积量的绝大部分,并且在压力面各个位置上都有较大的沉积量。由于静叶压力面上沉积形成的水膜和溪流会在汽流剪切力的作用下向出口边流动,压力面上的除湿槽应尽可能布置在近出口边处,但出口边叶片较薄,难以形成较大的抽吸空腔,对于本文研究的空心静叶来说将除湿槽设置在0.8~0.9相对叶宽处较合适。此外,在压力面尾缘附近有很大的沉积率,因此将除湿槽设置在尾缘应该会得到更高的除湿效率,但6认为在尾缘开设除湿槽需要将尾缘加厚,这会带来较大的尾迹损失,尾缘处的径向压力梯度也会使抽吸具有定难度。

吸力面上也有少量液相沉积,主要集中在前20%相对叶宽。在吸力面上开设除湿槽还需考虑两个因素:是吸力面和压力面上的除湿槽应尽量开设在叶片表面压力相同的位置上,避免引起汽流串流降低除湿效果;二是沉积在吸力面进口附近的水分可能在静叶型线曲率较大的地方被汽流夹带重新进入主流区,因此除湿槽应设置在静叶吸力面型线曲率较大处之前。从给出的末级静叶表面压力分布来看,吸力面除湿槽设置在约0.2~0.3相对叶宽时与压力面除湿槽压力水平相差*小,此时除湿效果*好。

2.3.2除湿槽宽度对除湿效率的影响根据总流伯努利方程以及除湿槽进出口处的压差进行估算可知,本文几种宽度的除湿槽能通过的液相流量都远大于除湿槽开设区域上游的液相沉积量,因此理论上完全满足抽吸掉除湿槽上游液相沉积量的要求。

由于除湿槽进口处的蒸汽-水膜两相流动机理十分复杂,因此除湿槽的除湿效率并不是简单地随着除湿槽宽度的增大而增大。7通过实验研究了除湿槽角度为45.,槽宽为1~4mm(相当于本文定义的0.7~3mm)时除湿效率的变化,认为随着槽宽增加除湿效率先减小后增大。但从8的实验结果来看,当抽吸压比较小时,槽宽为1~3mm时除湿效率几乎相同,当抽吸压比增大时除湿效率会下降,这时较宽的除湿槽才有较高的除湿效率,因此存在一个*佳抽吸压比。此外,当叶栅出口汽流速度较低时的*大除湿效率和*佳抽吸压比比叶栅出口速度较高时的要大些。由于本文研究的核电汽轮机末级静叶出口的汽流速度远高于该实验中的叶栅出口流速,可以推测*佳抽吸压比会较小。表2是数值计算得到的末级空心静叶除湿槽的抽吸压比,可见随着除湿槽宽度的增大,压力面和吸力面除湿槽的抽吸压比都明显增大,因此槽宽较大时不定除湿效率会较高。综合来看,除湿槽的宽度不能太小也不能过大,而是存在个合适的宽度。

表2不同除湿槽宽度时的抽吸压比除湿槽宽压力面除湿槽抽吸压比吸力面除湿槽抽吸压比2.3.3除湿槽角度对除湿效率的影响在同样的条件下,不同的除湿槽角度对除湿效率也有影响。从9的实验研究结果来看,在相同的压差下,除湿槽的除湿效率总是随着角度的增大而下降。较小的除湿槽角度可以减弱水膜或溪流流动的突然转向,进入除湿槽时在进口边缘上不易发生类似水膜撕裂的现象,有利于水膜或溪流的抽吸,从而提高除湿效率。因此在工艺许可的条件下,应尽量采用小的除湿槽角度以提高除湿效率,一般来说取除湿槽角度为45°。

此外,将除湿槽进口边缘加工成过渡圆角,能使水膜或溪流更平滑地进入除湿槽,进一步提高除湿效率。

3结论使用粒子输运模型对某核电汽轮机低压缸末级静叶通道内的一次水滴和二次水滴的运动轨迹和沉积量进行了计算,结果表明:一次水滴的沉积率很低,沉积分布随机性较强;二次水滴的沉积率很高,主要沉积在上半部分叶高区域;压力面的沉积率很大;吸力面的沉积率很小,并且集中在进口边附近。末级静叶中的液相除了主要沉积在静叶表面外,还有相当一部分沉积在上端壁表面。

从提高除湿效率的角度看,压力面上除湿槽设置在0.8~0.9相对叶宽处较合适,吸力面上除湿槽设置在约0. 2~0.3相对叶宽时除湿效果*好;*佳除湿槽宽度与汽流速度和抽吸压比有关;应尽量采用小的除湿槽角度以提高除湿效率。本文的研究成果可为空心静叶抽吸除湿的试验研究以及工程设计提供。

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