濕式汽輪機(jī)葉片級(jí)聯(lián)熱蒸汽噴射最佳位置的綜合研究

耿建華

摘要：汽輪機(jī)中的冷凝現(xiàn)象產(chǎn)生了復(fù)雜的光譜液滴尺寸。眾所周知，液滴尺寸分布可以為汽輪機(jī)設(shè)計(jì)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(gè)位置都報(bào)告了液滴半徑的一個(gè)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(jìn)行比較。成核區(qū)分為20個(gè)部分。液滴是由小滴并形成一個(gè)群的成核現(xiàn)象，在成核區(qū)開始時(shí)產(chǎn)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(chǎn)生的液滴對(duì)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(jìn)了49%。

關(guān)鍵詞：濕式汽輪機(jī);綜合研究

0 ?引言

熱力循環(huán)中的一大部分能量損失與汽輪機(jī)有關(guān)，汽輪機(jī)不是用濕蒸汽流工作的，液體的存在導(dǎo)致效率降低和機(jī)械損壞，如侵蝕，這導(dǎo)致高費(fèi)用、高成本的汽輪機(jī)。本研究采用熱蒸汽注射法減少凝結(jié)損失和侵蝕速率。HSI位置對(duì)吸力和壓力表面流動(dòng)的壓力分布、馬赫數(shù)和液體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響。為此，在吸力和壓力的幾個(gè)位置被認(rèn)為是選擇合適的注射位置。

1 ?研究?jī)?nèi)容

本研究采用EEHIC（熵產(chǎn)生、侵蝕速率、HSI比、葉片入口質(zhì)量流量和冷凝損失）方法選擇最合適的HSI位置。 結(jié)果顯示，在吸力側(cè)注入比壓力側(cè)注入對(duì)上述參數(shù)更有效。吸入側(cè)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(wú)注入情況相比分別為81%和99%。

今天，凝結(jié)現(xiàn)象發(fā)生在許多工業(yè)設(shè)備，如超音速噴嘴、熱壓縮器、汽輪機(jī)葉片、噴射器和冷凝器。在低壓汽輪機(jī)末段膨脹過(guò)程中，過(guò)熱蒸汽通過(guò)飽和線進(jìn)入兩相流動(dòng)區(qū)和大量細(xì)滴液體形成。渦輪葉片內(nèi)液相的存在造成熱力學(xué)損失、氣動(dòng)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(jī)的效率。

最近，已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究，提供信息和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證，以更好地理解蒸汽冷凝流動(dòng)。測(cè)量了渦輪葉片在壓力和吸力側(cè)的壓力分布。為了模擬濕蒸汽流動(dòng)，采用各種數(shù)值模型來(lái)求解濕蒸汽流動(dòng)。將單流體模型與雙流體模型進(jìn)行了比較。還采用矩量法計(jì)算了兩種液滴半徑。通過(guò)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(dòng)行為。研究了進(jìn)口濕度對(duì)汽輪機(jī)和壓縮機(jī)葉片濕蒸汽流量的影響。

研究人員有興趣將工程系統(tǒng)中傳熱和粘性剪切應(yīng)力的不可逆性降低到最小狀態(tài)，以達(dá)到更好的性能。熵的產(chǎn)生需要被認(rèn)為是衡量工程系統(tǒng)設(shè)計(jì)中不可逆轉(zhuǎn)性的標(biāo)準(zhǔn)。很明顯的減少熱力學(xué)損失。

格伯和克爾米研究了噴嘴濕蒸汽流動(dòng)的熱力學(xué)和氣動(dòng)損失。Lakzian和Shaabani研究了聚結(jié)過(guò)程對(duì)熵產(chǎn)生的影響。在收斂發(fā)散噴嘴中冷凝濕蒸汽流動(dòng)。在此基礎(chǔ)上，考慮聚結(jié)過(guò)程，熵產(chǎn)生量增加。鑒于沒(méi)有提供關(guān)于由于體積加熱和HSI的預(yù)期效應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)證據(jù)，研究人員考慮到了這一問(wèn)題。利用一維解析研究了體積冷卻和加熱對(duì)兩相流、凝結(jié)沖擊位置和熵產(chǎn)生參數(shù)的影響收斂發(fā)散噴嘴中的離子。研究了入口過(guò)熱和體積冷卻作為控制濕蒸汽流冷凝的兩種實(shí)際選擇的影響。結(jié)果表明，這兩種技術(shù)都能有效地降低熱壓縮機(jī)和汽輪機(jī)的濕性損失，提高其性能。

通過(guò)渦輪葉片的體積加熱來(lái)減少產(chǎn)生的濕性。他們指出，使用一定量的體積加熱可以降低產(chǎn)生的熵。在定子串級(jí)通道中開發(fā)并安裝了端壁柵欄。他們探討了不同加熱強(qiáng)度和不同放置位置對(duì)性能的影響。在收斂發(fā)散噴嘴中將熱蒸汽注入濕蒸汽流，并研究了其對(duì)兩相流動(dòng)參數(shù)的影響。利用算法他們提出了收斂發(fā)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(jié)現(xiàn)象是汽輪機(jī)葉片性能的關(guān)鍵問(wèn)題?？刂评淠F(xiàn)象的方法之一是HSI進(jìn)入通道。徐等人建議在葉片后緣進(jìn)行HSI。降低出口液體質(zhì)量分?jǐn)?shù)。此外，注射對(duì)液滴的影響較大由格里賓等人編寫。然而，上述論文還沒(méi)有詳細(xì)研究蒸汽噴射的最佳位置。考慮到壓力分布、馬赫數(shù)和液體質(zhì)量在吸力側(cè)附近與壓力側(cè)不同，本研究考慮了吸力和壓力側(cè)的不同位置，為HSI選擇了最佳位置。注射的每個(gè)位置和無(wú)注射情況采用EEHIC方法分析，也可以通過(guò)比較該方法的結(jié)果來(lái)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(dòng)。

2 ?計(jì)算方法，數(shù)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(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒方程以及液滴數(shù)和濕度方程。在該模型中，同時(shí)計(jì)算了液相和氣相，并求解了液滴和蒸汽流體相結(jié)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(biāo)v和l分別表示氣相和液相。 連續(xù)性、動(dòng)量、能量、液體質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(zhǎng)方程

在沒(méi)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(gè)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(rèn)為等于平板的表面張力。對(duì)于每個(gè)過(guò)冷單相蒸汽，吉布斯自由能變化包含一個(gè)最大點(diǎn)。該點(diǎn)對(duì)應(yīng)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(jīng)典成核方程表示單位時(shí)間蒸汽單位質(zhì)量產(chǎn)生的超臨界液滴的數(shù)量。JclaSS=qc2σrπm-3/2ρvρlexp（-4πr=qc2σrπm-2σr3KbTv），其中QC表示凝結(jié)系數(shù)，等于1。

KB表示Boltzmann常數(shù)，m表示分子的質(zhì)量。包括Kantrowitz在內(nèi)的各種修正被應(yīng)用于E中使用的經(jīng)典成核方程。Jka=11？覬Jclass，其中？覬表示溫度修正系數(shù)，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(gè)質(zhì)量源定義。Λnuc=43πρlρr*3J（17）Λgrow=4πρlρnr2drdtΛnuc顯示在成核過(guò)程中產(chǎn)生的液滴產(chǎn)生的源質(zhì)量速率，Λgrow表示質(zhì)量凝聚在液滴生長(zhǎng)過(guò)程中的液滴。

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

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

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