核電汽輪機(jī)低壓級(jí)內(nèi)水滴沉積與疏水槽除濕性能研究

姚金玲，王新軍，李曦濱，范小平

(1.西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，陜西西安，710049；2.東方汽輪機(jī)有限公司，四川德陽(yáng)，618000)

核電汽輪機(jī)低壓級(jí)內(nèi)水滴沉積與疏水槽除濕性能研究

姚金玲1，王新軍1，李曦濱2，范小平2

(1.西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，陜西西安，710049；2.東方汽輪機(jī)有限公司，四川德陽(yáng)，618000)

采用商用軟件CFX對(duì)某核電汽輪機(jī)低壓末三級(jí)葉柵通道中的水滴沉積規(guī)律進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，并初步研究了靜/動(dòng)葉片表面上的水膜流動(dòng)特性，評(píng)估了次次末級(jí)后與次末級(jí)后疏水槽的除濕性能。結(jié)果表明：二次水滴比一次水滴更容易沉積在葉片表面上；水滴在葉片內(nèi)弧的總沉積水量最多可達(dá)到背弧的10倍；靜葉片上的水膜厚度沿軸向逐漸變薄，而動(dòng)葉片上的沿軸向先緩慢變厚再變??；兩個(gè)疏水槽的除濕效率在11%左右。

核電汽輪機(jī)，水滴沉積，疏水槽，除濕性能

0 引言

隨著高參數(shù)大功率汽輪機(jī)的大力發(fā)展，汽輪機(jī)中的濕蒸汽問題變得日益嚴(yán)重。尤其是核電汽輪機(jī)，如果不采取除濕措施的話，低壓缸的排汽濕度將會(huì)超過20%[1]。根據(jù)汽輪機(jī)長(zhǎng)壽命、高效率以及保證安全的原則，各廠家在設(shè)計(jì)汽輪機(jī)時(shí)必須考慮汽輪機(jī)內(nèi)濕度的問題。目前，國(guó)內(nèi)外各汽輪機(jī)生產(chǎn)廠家和科研機(jī)構(gòu)對(duì)汽輪機(jī)除濕結(jié)構(gòu)與技術(shù)進(jìn)行了許多研究[2-4]，并發(fā)展出了各種形式的除濕方法和結(jié)構(gòu)[5]。

汽輪機(jī)中的水滴主要是由一次水滴和二次水滴構(gòu)成的。已有的研究結(jié)果表明:二次水滴是引起動(dòng)葉片水蝕的直接根源。因此，研究核電汽輪機(jī)葉柵通道內(nèi)水滴的運(yùn)動(dòng)與沉積規(guī)律以及葉片表面水膜的流動(dòng)特性將有助于合理設(shè)計(jì)除濕結(jié)構(gòu)，具有重要的理論意義和工程實(shí)用價(jià)值。

1 水滴運(yùn)動(dòng)與沉積規(guī)律數(shù)值計(jì)算

1.1 數(shù)值計(jì)算方法

汽輪機(jī)低壓缸通流中的流動(dòng)是極其復(fù)雜的濕蒸汽兩相流動(dòng)，流動(dòng)過程不僅要考慮每一相內(nèi)部的作用，還要考慮相與相之間的相互作用。本文在數(shù)值計(jì)算水滴的運(yùn)動(dòng)特性時(shí)，假定水滴是球形的并且尺寸不發(fā)生變化，忽略了重力及其他作用力對(duì)水滴的影響，水滴碰撞到固體壁面沒有反彈而直接被捕獲。

CFX中通過積分拉氏坐標(biāo)系下的顆粒作用力微分方程來求解離散相顆粒的軌道。顆粒的作用力平衡方程在笛卡爾坐標(biāo)系下的形式為:

式中:

μg—蒸汽分子粘性系數(shù)；

ρg—蒸汽的密度；

ρP—水滴的密度；

dP—水滴直徑；

ReP—水滴雷諾數(shù)；

CD—阻力系數(shù)，其定義為:

式中，b1=0.1862436，b2=0.6529，

b3=0.4373157，b4=7 185.353。

1.2 計(jì)算模型與網(wǎng)格

某核電低壓缸末三級(jí)的基本結(jié)構(gòu)和計(jì)算網(wǎng)格如圖1所示，在計(jì)算域進(jìn)口與出口都加了延伸段，兩個(gè)疏水槽分別位于次次末級(jí)動(dòng)葉后和次末級(jí)動(dòng)葉后。網(wǎng)格為HOH型結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，總數(shù)為4.3× 106。進(jìn)口給定總溫總壓，出口給定靜壓，兩個(gè)疏水槽的出口給定質(zhì)量流量。

圖1 計(jì)算模型與網(wǎng)格

低壓末三級(jí)進(jìn)口的平均蒸汽濕度為6.3%，水相質(zhì)量流量為13.7 kg/s。根據(jù)文獻(xiàn)中的方法[6]，估算出末三級(jí)靜葉前一次水滴的平均直徑約為1μm。葉柵進(jìn)口處的二次水滴直徑及直徑分布采用式（4）得到。

式中:

σ—水滴的表面張力；

Wecr—水滴的臨界韋伯?dāng)?shù)，≈14；

ps—蒸汽的密度；

cs—蒸汽的速度矢量；

cw—水滴的速度矢量。

三個(gè)級(jí)進(jìn)口的二次水滴平均直徑分別為17.6 μm，48.1μm和94.45μm。圖2和圖3分別是一次水滴和二次水滴的質(zhì)量分布圖。

圖2 一次水滴群質(zhì)量分布曲線

圖3 級(jí)進(jìn)口二次水滴的質(zhì)量分布圖

1.3 計(jì)算結(jié)果與分析

圖4和圖5分別給出了次次末級(jí)葉柵通道中一次水滴和二次水滴的運(yùn)動(dòng)軌跡。從圖中可以看出，二次水滴更容易被葉片壁面所捕獲，這是由于水滴直徑越大，運(yùn)動(dòng)慣性也大，保持原有運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的能力越強(qiáng)，撞擊并沉積在葉片和汽缸表面的可能性越大。當(dāng)水滴直徑大于14μm時(shí)，水滴的徑向分速度很小，運(yùn)動(dòng)軌跡幾乎為直線，絕大部分水滴都能撞擊到葉片表面并沉積下來。

圖5 次次末級(jí)內(nèi)二次水滴的運(yùn)動(dòng)軌跡

根據(jù)水滴的運(yùn)動(dòng)軌跡，可以得到水滴撞擊在葉片壁面上坐標(biāo)位置，并統(tǒng)計(jì)出末三級(jí)各葉片內(nèi)/背弧不同軸向與徑向位置的水滴沉積量與沉積率。

圖6和圖7分別是次次末級(jí)葉片內(nèi)/背弧上的水滴沿軸向和徑向的沉積量與沉積率分布。水滴在靜/動(dòng)葉片軸向和徑向有相對(duì)沉積集中的區(qū)域，在葉片內(nèi)弧的沉積量最大可達(dá)背弧的10倍。

圖6 次次末級(jí)葉片內(nèi)/背弧水滴沿軸向的沉積量

圖7 次次末級(jí)葉片內(nèi)/背弧水滴沿葉高的沉積量

2 水膜流動(dòng)特性與疏水槽除濕性能

2.1 水膜流動(dòng)特性

圖8和圖9分別為靜/動(dòng)葉片內(nèi)弧與背弧上水質(zhì)量分?jǐn)?shù)的分布云圖。從圖中可以看出，靜葉內(nèi)弧表面上的水膜較均勻；背弧上的水膜呈間斷狀。動(dòng)葉內(nèi)弧表面的水膜向葉頂方向聚集，這樣有利于疏水槽對(duì)水分的收集；背弧只在靠近葉頂?shù)牟糠謪^(qū)域有水膜形成。

圖8 靜葉表面上水質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布云圖

圖9 動(dòng)葉水質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布云圖

圖10和圖11分別為靜/動(dòng)葉表面上的水膜厚度在四個(gè)葉高截面沿軸向的變化曲線圖。在25%葉高處，液相水直接被甩向了葉頂方向，在葉片表面沒有形成水膜。背弧水沉積量較小，進(jìn)口的水質(zhì)量流量較低，表面大部分區(qū)域水膜厚度還未達(dá)到水膜的臨界厚度，只有在90%葉高處有水膜形成。內(nèi)弧與背弧表面的水膜厚度沿軸向都是先緩慢變厚再變薄。

圖10 靜葉片上水膜厚度

圖11 動(dòng)葉片上水膜厚度

2.2 疏水槽除濕性能

進(jìn)入疏水槽的液相分為三部分:級(jí)進(jìn)口的水滴、動(dòng)葉出口邊撕裂形成的水滴和動(dòng)葉表面沉積水分沿徑向甩入的部分。

圖12為級(jí)進(jìn)口水滴在兩個(gè)疏水槽內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡。根據(jù)進(jìn)入疏水槽內(nèi)的水滴直徑和百分比，通過換算，得到次次末級(jí)和次末級(jí)后疏水槽捕獲的水質(zhì)量流量分別占進(jìn)口總水質(zhì)量流量的0.994%和2.125%。

圖12 級(jí)進(jìn)口水滴在疏水槽內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡

圖13為動(dòng)葉出口邊撕裂形成的水滴在疏水槽內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡圖。次次末級(jí)和次末級(jí)后疏水槽捕獲的水質(zhì)量流量占進(jìn)口總水質(zhì)量流量的0.77%和0.32%。

圖13 不同直徑的水滴在疏水槽內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡

沉積在動(dòng)葉表面上的水分隨著動(dòng)葉旋轉(zhuǎn)將會(huì)甩入疏水槽，如圖9(a)所示。計(jì)算到次次末級(jí)動(dòng)葉表面上的沉積水分沿徑向甩入疏水槽的水質(zhì)量流量比為9.32%。因此次次末級(jí)后疏水槽的總除濕率為以上3部分相加，最終結(jié)果為11.084%。

次末級(jí)動(dòng)葉表面上的沉積水分沿徑向甩入疏水槽的水質(zhì)量流量比為9.38%。次末級(jí)后疏水槽的總除濕率的最終結(jié)果是11.8%。

核電汽輪機(jī)疏水槽的除濕效率如表1所示。2個(gè)疏水槽的除濕率也分別與文獻(xiàn)[7]提出的結(jié)論相一致。

表1 核電低壓缸疏水槽的除濕性能匯總表 %

3 結(jié)論

采用粒子輸運(yùn)模型對(duì)某核電汽輪機(jī)低壓缸末三級(jí)葉柵內(nèi)一次與二次水滴運(yùn)動(dòng)軌跡以及沉積量進(jìn)行三維數(shù)值計(jì)算的結(jié)果表明:二次水滴較一次水滴更容易沉積；內(nèi)弧的沉積量最大可達(dá)背弧的10倍。

疏水槽內(nèi)去除的絕大多數(shù)水分為動(dòng)葉表面上沉積的水分沿徑向的水滴。次次末級(jí)后疏水槽捕獲的水質(zhì)量流量占進(jìn)口總水質(zhì)量流量的11.084%，次末級(jí)后疏水槽為11.8%。

[1]楊曉輝,單世超.核電汽輪機(jī)與火電汽輪機(jī)比較分析[J].汽輪機(jī)技術(shù),2006,48(6):404-407

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[6]俞茂錚,姚秀平,孫弼,等.核電600MW汽輪機(jī)末級(jí)空心靜葉去濕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案計(jì)算與分析[R].1997

[7]Hofer,et al.M oisture Removal Pocket for Im proved M oisture Removal Efficiency[P].2002-4-23

Research on Deposition ofWater Droplets and Moisture Removal in LP Last Three Stages of Nuclear Steam Turbine

Yao Jinling1，Wang Xinjun1，Li Xibin2，F(xiàn)an Xiaoping2
（1.School of Energy and Pow er Engineering,X i'an Jiaotong University,X i'an Shaanxi,710049; 2.Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

In this paper,w ater drop letsmovement and deposition characteristics in LP last three stages cascade channel for a nuclear steam turbine w ere first numerically calculated.Flow characteristicsof the w ater film on the stator/rotor blade surface w as prelim inarily studied.Moisture removal performance in the circum ferential slots downstream the third last stage and the second last stage was calculated and evaluated.The resultsshowed that the coarse dropletswere easier to be deposited on the blade surface than that of fine droplets.The dropletsdeposition mass on the blade pressure surface wasmaximally 10 times that on the suction surface.Water film thicknesson the stator blade decreased along the axial direction.Water film thicknesson the rotor blade along the axial direction first became thick gradually,and then became thin.M oisture removal rate of tw o circum ferential slotswere about 11%.

nuclear steam turbine,w ater depositions,circum ferential slot,moisture removal performance

TK262

：A

：1674-9987（2014）01-0013-06

姚金玲 （1989-），女，西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院碩士研究生。