濕式汽輪機葉柵熱噴射最佳位置的綜合研究

王慶生

（哈爾濱汽輪機廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱 150046）

0 引言

在許多工業(yè)設(shè)備中會發(fā)生凝結(jié)現(xiàn)象，如超音速噴管、熱壓機、汽輪機葉片、噴射器和冷凝器等。在低壓汽輪機的末級膨脹過程中，過熱蒸汽通過飽和線進(jìn)入兩相流區(qū)，并產(chǎn)生較大的流動，形成許多細(xì)小的液滴。渦輪內(nèi)液相的存在，一方面會造成葉片的熱力學(xué)損失、氣動損失、葉片侵蝕、侵蝕損傷和熱效率降低，另一方面濕度增加會降低濕式汽輪機效率。

為更好地理解蒸汽凝結(jié)流動，研究了近幾年的大量文獻(xiàn)以及各種式蒸汽流動數(shù)值模型的求解，總結(jié)實驗數(shù)據(jù)驗證解析方法。例如，Sharifi 和Mazzelli 團(tuán)隊基于非平衡冷凝的影響因素來研究噴射器以及熱壓機的流動參數(shù)，Dykas 團(tuán)隊對單流體模型與雙流體模型進(jìn)行研究、比較，Wroblewski 采用矩量法計算雙流體液滴半徑模型，山本研究組基于進(jìn)口位置濕度來研究渦輪葉片內(nèi)濕蒸汽流動對壓縮機的影響。

研究人員的重點是如何減少工程系統(tǒng)中的不可逆性，以及如何將傳熱和粘性應(yīng)力降低到最小狀態(tài)、獲得最佳性能。因此，一致認(rèn)為熵產(chǎn)是衡量的標(biāo)準(zhǔn)工程系統(tǒng)設(shè)計中的不可逆性的重要指標(biāo)。顯然，有一些方法可以減少熱力學(xué)損失和熵產(chǎn)，最近進(jìn)行了大量的研究。Gerber 和Kermani 團(tuán)隊提出濕蒸汽流動的熱力學(xué)對氣動損失的影響，Lakzian 團(tuán)隊在聚結(jié)過程對熵的影響方向進(jìn)行了深入研究，也對發(fā)散噴嘴中冷凝濕蒸汽流的產(chǎn)生規(guī)律進(jìn)行了模擬，并研究了濕蒸汽中汽液相之間滑移的影響，以及一維超音速噴管內(nèi)的流動。Mahpeykar 研究了體積冷卻和加熱對兩相參數(shù)的影響流動，冷凝激波定位和熵產(chǎn)，利用一維收斂—發(fā)散噴嘴解析。Ahmadpour 等人調(diào)查了入口過熱和體積冷卻的影響作為兩種實際的控制選擇濕蒸汽流中的凝結(jié)。他們證明這兩種方法都能有效減少濕損失和提高熱壓機和汽輪機的性能。Lakzian 團(tuán)隊研究表明，可以通過加熱渦輪容積來減少葉片的濕量，這是因為容積加熱可以減少熵的生成。Han 團(tuán)隊設(shè)計了定子葉柵端壁柵欄，并安裝在通道中，探索了不同加熱強度和不同放置位置對級聯(lián)性能的影響。Boroomand 和Mirhoseini 注入熱將蒸汽在會聚—發(fā)散型噴嘴中轉(zhuǎn)化為濕蒸汽流動，研究其對兩相流動參數(shù)的影響。通過遺傳算法，他們提出了最優(yōu)的HSI（Latent Heat of Vaporization，熱蒸汽注入）量，結(jié)果表明，在收斂—發(fā)散型噴嘴中，濕度和液滴半徑都會影響恒定生成指數(shù)。

如何控制冷凝現(xiàn)象是影響汽輪機葉片性能的關(guān)鍵問題。HSI進(jìn)入葉片通道以及降低出口液質(zhì)量分?jǐn)?shù)，可以控制凝結(jié)現(xiàn)象。上述文獻(xiàn)提供了研究基礎(chǔ)，但并沒有能詳細(xì)介紹氣體噴射的最佳位置。在已知壓強分布、馬赫數(shù)的條件下，靠近吸力側(cè)的液體質(zhì)量分?jǐn)?shù)與靠近壓力側(cè)的液體質(zhì)量分?jǐn)?shù)需要考慮到不同位置的吸力和壓力，以選擇最佳位置。為此，采用EEHIC（Energy Efficient Home Improvement Credit）方法注射位置與未注射情況下進(jìn)行比較，采用湍流模型模擬渦輪葉片內(nèi)的粘性流動，來選擇得出最佳位置。

1 數(shù)值方法

1.1 控制方程

在本研究中，采用單流體模型求解，建立了液滴的質(zhì)量、動量和能量守恒方程、數(shù)值方程和濕度方程。該模型同時計算了液相和氣相求解了液滴和蒸汽流體相結(jié)合的控制方程。由于液滴半徑小或阻力小，兩相之間滑移速度被忽略。

1.2 邊界條件

總壓力和溫度、液滴數(shù)量和液體質(zhì)量分?jǐn)?shù)，由于超音速流動的所有熱物理性質(zhì)為葉片亞音速入口邊界和噴射槽指定。

1.3 侵蝕率

液滴導(dǎo)致的侵蝕被認(rèn)為是蒸汽輪機設(shè)計中最嚴(yán)重的問題之一，因為它會造成機械損壞。Lee 等人提出了一個模型計算侵蝕速率，該速率基于液滴流的碰撞速率、碰撞速度液滴、液滴尺寸和材料硬度：在水滴成核和生長過程中，熱力學(xué)和動力學(xué)蒸汽的性質(zhì)也會改變，導(dǎo)致蒸汽的工作能力降低。這些變化稱為濕度損失，在設(shè)計蒸汽輪機過程中對濕度損失的計算非常重要。當(dāng)成核現(xiàn)象發(fā)生時，蒸汽液滴表面的分子凝結(jié)、液滴生長，導(dǎo)致冷凝損失。冷凝過程是一個不可逆過程。

1.4 數(shù)值模擬

控制方程采用基于密度的有限體積法求解，采用Roe 方法計算對流通量，最后采用二階精度的迎風(fēng)方法進(jìn)行空間離散。Bakhtar 等人目標(biāo)的實驗數(shù)據(jù)用于驗證濕空氣的數(shù)值解汽輪機葉片中的蒸汽流量，列出了幾何規(guī)格和該葉片的邊界條件。

（1）入口的滯止壓力和滯止溫度。葉片的壓力分別為172 kPa和380.66 kPa，葉片入口的流量為亞音速、出口處為超音速。

（2）3 組四邊形計算網(wǎng)格：精細(xì)（30 840 個單元），中等（14 440 個細(xì)胞）和粗（7432 個細(xì)胞）通過網(wǎng)格收斂進(jìn)行計算和分析索引以獲得最佳計算網(wǎng)格。

（3）關(guān)于濕蒸汽冷凝流量的規(guī)范，取質(zhì)量流率為參數(shù)。

（4）噴嘴A 和B 的幾何形狀，具有指定的入口邊界條件：噴嘴A 的停滯壓力為25 kPa，停滯溫度為354.6 K，噴嘴B 的停滯溫度為357.6 K。

為了獲得最佳計算網(wǎng)格，使用GCI（Grid Convergence Index，網(wǎng)格收斂指數(shù)）方法確定適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格分辨率。噴嘴A 采用具有9200 個單元的四邊形網(wǎng)格、噴嘴B 使用15 000 個單元的四邊形網(wǎng)格，沿噴嘴中心線，從模擬和實驗?zāi)枃娮霢 和B 獲得數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果和討論

2.1 熱蒸汽注入（HSI）

本研究的主要目的是將熱蒸汽注入適當(dāng)位置以消除濕度和液滴半徑的影響，并減少產(chǎn)生的熵。自從bakhtar 的渦輪葉片具有實驗半徑尺寸，該葉片用于研究HSI 在吸入側(cè)和壓力側(cè)的不同位置執(zhí)行。對于每個注射位置完成中心線上的壓力分布后，通過選擇最佳網(wǎng)格檢查注射部位的影響。

2.2 評估HSI 位置的影響

當(dāng)濕蒸汽在渦輪葉片上流動時，當(dāng)馬赫數(shù)上升時橫截面、壓力和溫度在葉片收斂部分減小。之后，盡管壓力和溫度馬赫數(shù)和流動橫截面增加，但仍繼續(xù)減小。此外，過冷的程度是非平衡的標(biāo)準(zhǔn)蒸汽增加，因此形成液相以恢復(fù)平衡。

首先，增加液滴，然后是蒸汽溫度。根據(jù)瑞利流特性，向超音速流提供熱量會增加壓力并降低馬赫數(shù)，之間液相的影響是每個渦輪級的效率降低約1%（在1%濕度下）。在本研究中，由于侵蝕和濕度的存在，使用HSI 來降低濕度，考慮到壓力、溫度和HSI 速率的限制，選擇適當(dāng)?shù)腍SI 位置對EEHIC 有很大影響。

本項目在不同位置評估HSI 位置對吸力和壓力側(cè)，噴射角為90°，噴射槽寬度為0.09 E#c、注入，注入蒸汽溫度為500 K，壓力側(cè)噴射壓力為170 kPa，壓力側(cè)為160 kPa。在吸入側(cè)，考慮了5 個注射位置，以檢查影響注射位置。此外，1 號和2 號的注射位置位于葉片處收斂部分（亞音速部分），3 號和4 號位于葉片發(fā)散部分（超音速部分5 號是在吸入側(cè)發(fā)生第一次空氣動力沖擊之后靠近葉片出口，在壓力側(cè)6 號～10 號的注射位置位于葉片收斂部分（亞音速）。熱量和質(zhì)量被添加到HSI 的流動中。盡管使用了簡單的假設(shè)流動，二維數(shù)值解用于評估HSI 的影響，因為兩相流條件和渦輪葉片幾何形狀的復(fù)雜性。噴射位置對吸入側(cè)和壓力側(cè)的影響葉片中心線的壓力和溫度比，并與沒有的情況進(jìn)行比較。注射葉片收斂部分吸入側(cè)和壓力側(cè)的HSI（注入1 和在吸入側(cè)注入2 次，在壓力側(cè)注入6～10 次）噴射位置處葉片中心線的溫度。此外，超音速部分（3 號、4 號和5 號噴射）顯示了不同噴射中葉片中心線的馬赫數(shù)位置。葉片收斂部分的HSI在領(lǐng)先時降低馬赫數(shù)葉片發(fā)散部分的馬赫數(shù)突然變化。氣流在喉部不能變成音速，馬赫數(shù)在喉部之后和葉片的發(fā)散部分增加。原因是HSI 為氣流創(chuàng)造了一個理想的喉部，導(dǎo)致噴射中心線的馬赫數(shù)增加（3 號和4 號噴嘴）。在幾乎位于葉片末端的噴射5中，顯示出氣流具有類似于葉片收斂部分無噴射的情況，導(dǎo)致擴散部分的壓力和溫度增加，在注射位置附近馬赫數(shù)減少。

比較不同位置的HSI 對成核圖、液體質(zhì)量分?jǐn)?shù)和葉片中心線處的平均液滴半徑。HSI 略微延遲葉片中心線處的成核開始，在成核過程中在吸入側(cè)，注射1、注射2 和注射3 的最大成核值較大，而4 號注入的最大成核值小于不注射的情況。在注射5中，沒有顯著變化與不注射的情況相比。在成核圖的壓力側(cè)，HSI 略微增加了最大成核量。然而，吸入側(cè)的HSI 減少了葉片中心線處的液體質(zhì)量分?jǐn)?shù)，注射4 中的液體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0。

3 結(jié)論

在驗證了渦輪葉片的數(shù)值解之后，本項目研究了HSI 對兩相流參數(shù)的影響，以選擇最佳注入位置。多次注射選擇吸入側(cè)和壓力側(cè)的位置，是因為在吸入側(cè)和壓力側(cè)附近流動。此外，考慮采用EEHIC 方法選擇最佳注射位置。然后，研究了HSI 對每次注射的5 個參數(shù)的影響，未來將研究壓力、溫度、槽角的影響。結(jié)果表明，HSI 降低了葉片中的入口質(zhì)量流率壓力、溫度和收斂部分的馬赫數(shù)，以及突然上升壓力、溫度和發(fā)散部分的馬赫數(shù)。建議熱蒸汽應(yīng)注入沖擊前的一個位置且溫度最低流。在本研究中，4 號注入位置減少了冷凝損失和侵蝕與未注射的情況相比，分別提高了81%和99%以上。