縮放葉柵內(nèi)高速凝結(jié)流動特性的數(shù)值研究

趙振書

（華能上安電廠， 石家莊 050310）

發(fā)電技術(shù)

縮放葉柵內(nèi)高速凝結(jié)流動特性的數(shù)值研究

趙振書

（華能上安電廠， 石家莊 050310）

對汽輪機(jī)縮放葉柵內(nèi)高速凝結(jié)流動進(jìn)行初步的數(shù)值研究。 氣液兩相采用NS方程求解， 自發(fā)凝結(jié)液相凝結(jié)過程應(yīng)用多階復(fù)合參數(shù)積分方法求解。采用密度梯度等值圖作為數(shù)值紋影圖，顯示了激波系和尾跡渦流的分布與強(qiáng)度。模擬得到了過熱蒸汽流動和自發(fā)凝結(jié)流動中壓力、馬赫數(shù)、激波系流線分布情況以及葉柵的氣動參數(shù)。分析了凝結(jié)過程對流動的影響，數(shù)值結(jié)果表明：汽輪機(jī)縮放葉柵中的凝結(jié)過程會使尾緣附近吸力面的邊界層分離，增加尾跡流的紊亂程度，改變了葉柵的出口氣流角，使流場惡化，對通流能力和做功能力均造成影響。

濕蒸汽；縮放葉柵；兩相流動；自發(fā)凝結(jié)；邊界層分離；數(shù)值模擬

0 引言

常規(guī)電站凝汽式汽輪機(jī)低壓缸的末幾級和水冷堆核電汽輪機(jī)的全部級都在濕蒸汽區(qū)工作，由于級內(nèi)出現(xiàn)濕蒸汽兩相流動，在經(jīng)濟(jì)性和可靠性方面帶來的損失不可低估[1]。 現(xiàn)代火電站汽輪機(jī)組濕蒸汽級的做功能力可達(dá)到機(jī)組出力的 20%以上。在我國國家核電中長期發(fā)展規(guī)劃出臺后，核電進(jìn)入了快速發(fā)展階段，核電占全部電力裝機(jī)容量的比重逐漸增加。因此開展汽輪機(jī)中濕蒸汽兩相凝結(jié)流動研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

根據(jù)葉柵出口馬赫數(shù)的范圍，葉片通道通?？稍O(shè)計成收縮型和縮放型。收縮型葉柵出口馬赫數(shù)的上限通常為 1.3～1.4， 在大于設(shè)計出口馬赫數(shù)的情況下， 各種損失將隨馬赫數(shù)的增加而增大[1-3]。而縮放型葉柵可用于更高的馬赫數(shù)，在超音速條件下可能具有更高的效率。在汽輪機(jī)末級，由于溫度降低，使音速降低很快。在某些情況下流動會出現(xiàn)跨音速流動和超音速流動，因此需要在葉片頂部截面采用縮放型葉片。

本文對二維縮放葉柵中的凝結(jié)流動進(jìn)行數(shù)值模擬，并分析凝結(jié)過程對流動的影響，以期更好地理解縮放葉柵中的凝結(jié)流動機(jī)理，并為工業(yè)應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 兩相凝結(jié)流動控制方程

假設(shè)兩相流系統(tǒng)與外界絕熱，忽略兩相間的速度差，不考慮水滴沉積，則自發(fā)凝結(jié)汽液兩相混合物的控制方程組為[3]：

u、v、 w 為速度矢量 3 個坐標(biāo)方向的分速度； ρ為汽液混合物密度，忽略液相體積時，ρg為氣相密度。

自發(fā)凝結(jié)流動液相控制方程采用包含水滴半徑的組合參數(shù)作為液相參數(shù)[4-7]：

水滴平均半徑表示式為：

為避免數(shù)值誤差，計算時要增加濕度限定條件。濕度表達(dá)式為：

成核率采用非等溫效應(yīng)修正表達(dá)式[6-7]， 即：

水滴增長方程采用低壓修正表達(dá)式[7-8]， 即：

氣體狀態(tài)方程采用維里型狀態(tài)方程[7]：

式中：B，C，D 為一至三階維里系數(shù)。

2 數(shù)值計算結(jié)果和分析

葉片的幾何數(shù) 據(jù)根據(jù)文獻(xiàn)[8]提供的汽輪機(jī)末級縮放型葉片葉頂形狀得到。葉片的幾何形狀及計算的網(wǎng)格如圖1所示。

圖1 縮放葉柵葉片形狀及計算網(wǎng)格示意

計 算 邊 界 條 件 給 定 進(jìn) 口 總 壓 Pt為 4.09×105Pa， 總溫 Tt為 354 K， 為低過熱蒸汽， 給定進(jìn)氣角度。葉片表面為固壁邊界條件，葉柵上下延長線為周期性邊界條件，出口參數(shù)由流場內(nèi)部外推。兩相參數(shù)在計算中保持不變時認(rèn)為計算收斂。

圖2給出了葉柵通道中過熱蒸汽流動和自發(fā)凝結(jié)流動的壓力分布等值線，圖3給出了馬赫數(shù)分布情況。 由圖1、圖3可以看出，過熱蒸汽流動中，葉柵通道內(nèi)汽流能夠正常膨脹，從葉柵入口至出口壓力逐漸降低。兩種工況下葉柵喉部上游的膨脹過程非常相似，但是在喉部下游，壓力和馬赫數(shù)分布卻出現(xiàn)了明顯差異。在自發(fā)凝結(jié)流動中，由于凝結(jié)的發(fā)生，葉柵出口馬赫數(shù)由過熱蒸汽流 動 中 的 1.3 變 成 1.1， 出 口 由 超 音 速 流 動 變?yōu)榭缫羲倭鲃?，出口壓力提高，尾跡中的壓力分布和馬赫數(shù)分布較為紊亂，改變了縮放噴管中的流動工況。凝結(jié)使流動狀況嚴(yán)重偏離設(shè)計工 況。因此在設(shè)計汽輪機(jī)工作壓比時，要考慮凝結(jié)流動的影響。

圖2 壓力分布

圖3 馬赫數(shù)分布

圖4采用密度梯度等值圖作為數(shù)值紋影圖，顯示了兩種流動狀態(tài)下激波系和尾跡渦流的強(qiáng)度和分布。由圖4可知，在過熱蒸汽流動中，壓力面產(chǎn)生了一道明顯的激波向吸力面延伸，并在相鄰葉片吸力面形成反射激波，尾跡渦的強(qiáng)度控制較好。而在自發(fā)凝結(jié)流動中，激波系重新分布，在凝結(jié)干涉使尾緣壓力面激波強(qiáng)度和角度均發(fā)生改變的同時，亦使尾緣渦的強(qiáng)度及下游紊亂程度增強(qiáng)，流動狀況發(fā)生惡化。

圖4 數(shù)值紋影圖

由圖5所示的流線分布可知，在過熱蒸汽流動中，由于縮放葉柵中汽流膨脹劇烈，尾緣激波強(qiáng)度較大，激波反彈會在吸力面的反射點(diǎn)下游產(chǎn)生邊界層分離。在凝結(jié)流動中，由于水滴成核的發(fā)生，葉片吸力面會產(chǎn)生非常劇烈的邊界層分離， 使出氣角改變， 出氣角由過熱蒸汽的 31.5°變?yōu)槟Y(jié)流動的 34.43°， 大幅度偏離了正常流道，流動惡化程度很大，汽流受到嚴(yán)重干擾。

3 結(jié)語

本文對汽輪機(jī)縮放葉柵中濕蒸汽自發(fā)凝結(jié)流

圖5 流線分布

動進(jìn)行了數(shù)值模擬，并與過熱蒸汽流動進(jìn)行對比，分析了凝結(jié)過程對流動的影響。模擬得到了過熱蒸汽流動和自發(fā)凝結(jié)流動中壓力、馬赫數(shù)、激波系和尾跡渦流以及流線分布情況。模擬結(jié)果表明：在汽輪機(jī)縮放葉柵中，凝結(jié)過程使流動狀況嚴(yán)重偏離設(shè)計工況，葉柵出口壓力提高，出口馬赫數(shù)減低，流動由超音速流動變?yōu)榭缫羲倭鲃樱簿壐浇γ娴倪吔鐚影l(fā)生分離，尾跡流的紊亂程度增強(qiáng)，改變了葉柵的出口氣流角，使流場惡化，對通流能力和做功能力均會造成影響。

[1]蔡 頤 年 ， 王 乃 寧 ．濕 蒸 汽 兩 相 流[M]．西 安 ： 西 安 交 通 大學(xué)出版社，1985．

[2]豐鎮(zhèn)平，李亮，李國君．汽輪機(jī)濕蒸汽兩相凝結(jié)流動數(shù)值 研 究 的 現(xiàn) 狀 與 進(jìn) 展[J]．上 海 汽 輪 機(jī) ，2002， （2）∶1-10．

[3]李亮，豐鎮(zhèn)平，李國君．一維噴管中存在自發(fā)凝結(jié)的跨音 速 濕 蒸 汽 兩 相 流 動 數(shù) 值 模 擬[J]．工 程 熱 物 理 學(xué) 報 ，2001，22（6）∶703-705.

[4]安連鎖，王智，韓中合．汽輪機(jī)葉柵內(nèi)濕蒸汽兩相凝結(jié)流 動 的 數(shù) 值 研 究[J]．中 國 電 機(jī) 工 程 學(xué) 報 ，2009，29（11）∶199-202．

[5]林智榮，袁新．自發(fā)凝結(jié)流動數(shù)值模擬方法及其在 Laval噴管中的應(yīng)用[J]．工程熱物理學(xué)報，2006，27（1）：42-44．

[6]王智，安連鎖，韓中合．葉柵形狀變化對自發(fā)凝結(jié)過程影 響 的 數(shù) 值 研 究[J]．中 國 電 機(jī) 工 程 學(xué) 報 ，2009，29（35）∶125-130．

[7]李亮，豐鎮(zhèn)平，李國君．平面葉柵中的濕蒸汽兩相凝結(jié)流 動 數(shù) 值 模 擬 [J]．工 程 熱 物 理 學(xué) 報 ，2002，23（3）∶309-311．

[8]DINH C V， RUGGLESSG， VOGAN JH．Bucket for the last stage of turbine[P]．United States Patents．5393200，1995-2-28．

（本文編輯：龔 皓）

Numerical Study on High-speed Condensation Flow Characteristics in a Convergent-divergent Cascade

ZHAO Zhen-shu
（HebeiHuaneng Shang'an Power Plant， Shijiazhuang 050310， China）

Prelimiary numerical study on high-speed condensation flow in a turbine convergent-divergent cascade is carried out.Navier-Stokes equation is adopted for vapor and liquid phases， and the process of spontaneous liquid phase condensation is solved bymultistage composite parameter integralmethod.Density gradient isogram is adopted as numerical schlieren photograph to show the distribution and strength of shock waves and wake vortex.The simulation result shows the distribution of pressure， Mach number， shock wave， streamline and aerodynamic parameters in cascade in superheated steam flow and spontaneous condensation flow.The impact of condensation process on the flow is analyzed.The result shows that condensation process could cause the boundary layer separation on the suction surface near the trailing edge， enhance the turbulence of wake flow， change the cascade outlet flow angle，deteriorate the flow field and affect the flow capacity and capability of doingwork.

wet steam； convergent-divergent cascade； two-phase flow； spontaneous condensation； boundary layer separation； numerical simulation

TK212+.3

：A

： 1007-1881（2011）12-0039-03

2011-09-13

趙振書（1969-）， 男， 河北鹿泉人， 工程師， 從事發(fā)電廠檢修、管理工作。