汽轮机低压级内湿蒸汽流动特性的数值研究

汽轮机低压级内湿蒸汽流动特性的数值研究汽轮机作为火电站、核电站等的关键动力装置,其性能的优劣对我国电力生产的经济性和安全性有着至关重要的影响。对于现代大功率火电汽轮发电机组,为提高蒸汽的做功能力,通常使蒸汽在汽轮机内膨胀至较低的压力,这将使蒸汽

在汽轮机某些低压级内便开始凝结,进而使汽轮机的后几级工作在湿蒸汽区。

长期以来,关于汽轮机内湿蒸汽的形成机理及其对汽轮机效率和可靠性影响的问题一直是能源动力工程领域的一项热门课题。大功率汽轮机低压湿蒸汽级内湿蒸汽的流动过程极其复杂,呈多相流动及三维流动的特性,完全精确地对其进

行测量非常困难,而且试验研究的成本也极其昂贵。

相比较而言,数值计算的方法更易实现,尤其是近年来,随着高性能计算机的出现,使采用数值计算方法研究汽轮机湿蒸汽级内全三维多相流动特性成为可能。商用软件ANSYS CFX提供了欧拉-欧拉坐标系下蒸汽的非平衡凝结模型,该模型采用修正后的经典成核模型和Gyarmathy提出的水滴生长模型模拟水滴的形成和

生长。

本文基于该凝结模型研究了某1000MW火电汽轮机低压湿蒸汽级内蒸汽的非平衡凝结流动。为验证该非平衡凝结模型的可靠性,采用该模型模拟了Laval喷管和平面叶栅内蒸汽的非平衡凝结流动,获得了与实验测量数据一致的结果,并

确定了模拟低压蒸汽非平衡凝结流动时最佳NBTF (nucleation bulk tension factor)的取值范围。

在此基础上,以该型火电汽轮机低压湿蒸汽级为研究对象,研究了微小水滴

表面张力的数值对真实汽轮机湿蒸汽级内蒸汽非平衡凝结流动的影响,进而确定了合理的NBTF取值。基于此,本文主要开展了如下三个方面的研究工作：(1)采

用考虑汽、液两相之间速度滑移的非平衡凝结模型模拟了该机组低压末级内蒸汽的凝结流动；研究了计算汽轮机静叶栅和动叶栅表面上一次水滴和二次水滴惯性沉积和湍流扩散沉积的方法,采用该方法计算了级入口水滴直径不同时低压末级静叶栅和动叶栅表面上水滴的沉积,获得了与其他学者计算结果一致的结果,验证了所采用的水滴沉积计算方法的可靠性。

在水滴沉积计算结果和级内蒸汽三维非平衡凝结流场的基础上,提出了一种计算汽轮机湿蒸汽级内湿汽损失的三维方法,在这种方法中,湿汽损失分为热力学损失、一次水滴阻力损失、二次水滴阻力损失、制动损失、捕水损失和离心损失。采用该方法计算了当级入口水滴直径不同时,末级内湿汽损失的数值,并研究了级入口水滴直径对级内各类湿汽损失的数值和份额的影响。

将本文所提出方法的计算结果与修正Baumann公式的计算结果进行了比较,结果显示本文所提出的方法在考虑水滴直径和级内三维流动特性对湿汽损失的影响方面具有一定的优越性。(2)鉴于现有文献中鲜见报道关于汽轮机湿蒸汽级叶片表面上粗糙度影响的研究,分别采用单级模型和多级模型,研究了某大功率火电汽轮机自发凝结级叶片表面上粗糙度的大小和位置对级性能和级内蒸汽非平衡凝结过程的影响。

计算过程中粗糙度只施加于该机组低压次末级叶片表面上,通过比较粗糙度为不同数值、处于叶片表面上不同位置时计算得到的级效率、级内气动损失的分布、叶栅通道内热力学损失、湿度的分布等参数,得到了湿蒸汽级叶片表面上粗糙度对级性能和级内蒸汽非平衡凝结过程的影响规律。(3)以该机组低压次末级为研究对象,对级内蒸汽的非定常流动进行了数值模拟,在计算过程中考虑了蒸汽的非平衡凝结效应。

研究了汽轮机低压次末级静叶栅和动叶栅通道内非定常流动产生的原因及压力脉动的频谱特性；通过比较定常和非定常模型的计算结果,探讨了级内固有非定常效应的存在对蒸汽非平衡凝结过程和级性能的影响。此外,采用定常模型和非定常模型分别模拟了动、静叶栅之间轴向间距增大和减小后级内蒸汽的非平衡凝结流动,并与设计间距下的计算结果进行了比较,研究得到了动、静叶栅之间轴向间距对级内蒸汽非平衡凝结流动的影响规律。