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汽轮机动叶栅顶部通道湿蒸汽超声速凝结流动特性

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⎞ ⎟⎟⎠
(3)
该模型主要根据一定范围内水蒸气成核率实
验数据外推得到的，因此其适用范围有待进一步验
证。当蒸汽温度一定时，各种成核模型的 J-S 曲线 斜率十分相似，这说明各种成核模型的主要影响因
素为蒸汽温度，但这种影响很难在 J-S 图上体现。 因此，本文绘制 S-Tg 曲线（图 1）用于研究给定成 核率下温度对过饱和度的影响。图 1 中的实验数据 取自文献[26-27]。
2017-05-25 收到初稿，2017-06-26 收到修改稿。 联系人：韩中合。第一作者：韩旭(1991—)，男，博士研究生。 基金项目：国家科技支撑计划项目(2014BAA06B01);中央高校基本 科研业务费专项资金项目(2016XS106)。
Received date: 2017-05-25. Corresponding author: HAN Zhonghe, han_zhonghe@ Foundation item: supported by the National Science and Technology Support Program (2014BAA06B01) and the Fundamental Research Funds for the Central Universities(2016XS106).
级内的湿蒸汽流动，成核过程温度约为 320～340 K，因此选择 3 种成核模型进行计算都是合理的， 本文选择非等温修正成核率模型。
水分子与凝结核的撞击频率与水滴半径及气
体分子平均自由程有关，引进量纲 1 参数 Knudsen 数（Kn）衡量撞击频率。水滴生长过程采用 Young 等[28]非等温低压修正模型进行描述。
1 模型构建
1.1 成核及水滴生长模型 经典成核模型并未考虑凝结潜热对流动的影
响，其成核率计算式为[1]
J CL
=
qc
ρg2 ρl
⎛ ⎜⎝
2σ πm3
⎞1 ⎟⎠
2
⎛ exp⎜⎜⎝ −
4πrc2σ 3kTg
⎞ ⎟⎟⎠
(1)
非等温修正模型将凝结潜热的影响考虑进来， 其计算式为[2]
J Nห้องสมุดไป่ตู้L
=
1+
qc
ρgR α
关键词：湿蒸汽；汽轮机；超声速；两相流；凝结；热力学
中图分类号：O 354
文献标志码：A
文章编号：0438—1157（2017）09—3388—09
Supersonic condensation flow characteristics of wet steams in turbine rotor blade tip section
第9期

·3389·
inlet. Shock wave interference and vortex mixing had a great influence on distribution of water droplets. Key words: wet steam; steam turbine; supersonic; two-phase flow; condensation; thermodynamics
引言
湿蒸汽非平衡凝结现象广泛存在于化工机械、 动力机械等领域，高速流动的水蒸气需要达到某个 过饱和状态后才开始出现凝结。非平衡凝结流动中 涉及的成核和水滴生长数学理论被列为 21 世纪 100 道科学难题之一[1]。火电汽轮机末几级及核电汽轮 机全部级都处于湿蒸汽区，随着蒸汽湿度的增加， 湿蒸汽给汽轮机带来两方面的问题：一是产生较大 的湿汽损失，使湿蒸汽级的效率明显低于干蒸汽 级；二是湿蒸汽中的水分会对汽轮机动叶产生侵蚀 与冲击，威胁汽轮机的安全运行[2-3]。提高蒸汽循环 效率的主要途径为提高蒸汽参数和降低背压，目前 一些机组的设计背压在 4 kPa 以下，超低背压使汽 轮机的排汽湿度增大，湿蒸汽问题更显突出。因此， 研究汽轮机内湿蒸汽问题对我国电力行业发展具 有重要的理论与现实意义。
（华北电力大学电站设备状态监测与控制教育部重点实验室，河北 保定 071003）
摘要：由于汽轮机内高速凝结流动的复杂性，目前还没有一个得到普遍公认的凝结成核模型，且现有数值模型通
常忽略汽液相间滑移。针对叶栅通道内凝结参数分布陡峭、变化敏感的特点，采用既能准确描述可压缩气体跨声
速流动又能捕捉参数突跃的双流体数值模型，对汽轮机动叶栅顶部通道内的凝结流动特性进行分析。揭示压比对
研究表明：当饱和温度在 230～290 K 范围内
·3390·
化工学报
第 68 卷
图 1 定成核率下过饱和度计算结果 Fig. 1 Calculation results of saturation degree at constant
nucleation rate
时，Wölk-Strey 成核率和非等温成核率计算值与实 验值的吻合度更好；当饱和温度高于 290 K 后，3 种成核模型过饱和度曲线基本重合。鉴于汽轮机末
Abstract: Steam turbines are critical power generation equipment in electric power industry. Understanding water vapor condensation flow is important to improve efficiency and safety of steam turbines. Due to complexity of high speed condensation flow in steam turbines, no universally accepted nucleation model is available at present and current numerical models usually neglect vapor-liquid slip. Considered steep distribution and change sensitivity of condensing parameters, a double fluid numerical model of shear stress transport (SST) k-ω-kd two-phase turbulence, which can not only describe transonic flow of compressible gas accurately but also capture parameter jump instantly, was used to analyze condensation flow characteristics in turbine rotor blade tip section. The study revealed influence of pressure ratio on non-equilibrium condensation flow characteristics of wet steams and summarized changing patterns of surface pressure, nucleation rate, humidity, and number of water droplets. Results showed that calculation of pressure ratio at compression surface was in good agreement with experimental data under various operating conditions, although some error was observed in the second half of suction surface. The two fluid numerical model was applicable to both overheating operation and condensations with slight overcooling inlet. But pressure jump caused by condensation shock could hardly be caught for large overcooling
dr =
λgΔT
⎛⎜⎝1
湿蒸汽非平衡凝结特性的影响，归纳了叶片表面压力、成核率、湿度、水滴数的变化规律。研究表明：各工况压
力面的压比计算值与实验数据吻合较好，但吸力面后半段存在一定误差；双流体数值模型适用于过热工况和入口
过冷度较小的凝结工况，但当入口过冷度较大时，几乎无法捕捉到凝结激波导致的压力突跃；激波干涉和涡团掺
混也会对水滴分布产生较大影响。
汽轮机内的蒸汽凝结流动是三维黏性非定常、 具有间断面激波和气液两相共存的复杂非平衡流 动，主要涉及湍流、激波与附面层干扰、边界层状 态变化、凝结激波与气动激波相互干涉等复杂物理 问题。在国外，比利时冯•卡门流体力学研究所[1]、 英国中央电业研究实验室[2]、莫斯科动力学院[3]、 伯明翰大学[4-5]、剑桥大学[6-7]等机构开展了湿蒸汽 两相流的计算与测量工作，在凝结理论、实验研究、 解析分析及数值模拟等方面取得了很多成果。在国 内，西安交通大学[8-12]、清华大学[13-14]、中国科学 院工程热物理研究所[15-16]、哈尔滨工业大学[17-18]、 华北电力大学[19-24]等在凝结理论、实验研究及数值 模拟等方向开展了很多工作。总之，汽轮机内湿蒸 汽两相流动研究发展较快，基础性的工作已经比较 完善，尚存在一些问题亟待解决。第一，还没有一 个得到普遍公认的凝结成核模型。尽管经典成核模 型得到了很广泛的应用，但是仍存在一定偏差。经 典成核理论认为水滴温度与汽相温度相同，并没有 考虑相变产生的凝结潜热，这显然与实际情况不 符。部分文献采用非等温修正模型计算成核率，然 而修正系数取值范围很大，导致成核率计算值甚至 存在数量级上的差异。第二，水滴生长理论还存在 一定缺陷。汽轮机中凝结流动研究的大多数水滴处 于低压过渡区，但目前很少有文献涉及过渡区的水

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水蒸气超音速非平衡流动的变压凝结特性

水蒸气超音速非平衡流动的变压凝结特性


ｐ ｅ ｓ ｅ ｏ ｈｅ ｈ ｍ ｏ ｎｏ ｒ ｓ ｕｒ ｎ ｔ ｏ ｇｅ ｕｓｎｕｃｅ ｔｏ ｎｄ ｔ ｏｎ ｎｓ ｔｏ ｈ ｋ ａ ｈｅ ｉ ｌ ａ ｉ ｎ ａ ｈｅ ｃ ｄｅ ａ ｉ ｎ ｓ ｏｃ ｎｄ ｔ ｍｐａ ｔｏ ｒ ｓ ｕｒ ｈａ ｇｅ ｏｎ ｃ ｆｐ ｅ ｓ ｅｃ ｎ
激 波 现象 ，揭 示 了激 波 与 核 化 凝 结 流 动 之 间 相 互作 用 的 非 平 衡 流 动 规 律 。着 重 研 究 了 水 蒸 气 超 音 速 非 平 衡 凝 结
相 变 的变 压 凝 结 特 性 ，归 纳 了压 力 对 核 化 凝结 、激 波 形 态 的 影 响 规 律 ， 给 出 了进 口蒸 汽 压 力 变 化 对 蒸 汽 过 饱 和
Ｃｏ ｅ ｓ ｔｏ ｈ ｒ ｃ ｅ ｉ ｔｃ ｆ ｓ ｐ ｒ ｏ ｉ ｏ — ｑｕ ｌｂ ｉ ｍ ｎｄ ｎ ａ ｉ ｎ ｃ ａ ａ ｔ ｒ ｓ ｉｓ ｏ ｕ ｅ ｓ ｎ ｃ ｎ ｎ ｅ ｉｉ ｒ ｕ ｓ ｅ ｍ ｌ ｗ ｎ ｅ ｉｆ ｒ ｎ ｅ ｓ ｒ ｓ ｔ ａ ｆｏ ｕ ｄ ｒ ｄ ｆ ｅ ｅ ｔｐｒ ｓ ｕ ｅ
ｏ ｆＴｅｈ ｏｏ ｙ，Ｄａ ｉｎ １ ６ ２ ，Ｌｉｏ ｉｇ，Ｃｈ ｎ ） ｃ ｎ ｌｇ ｌ １０ ４ ａ ａｎｎ ｉａ
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｔ ｈｅ ｓ ｐｅ ｓ ｎｉ ｎｏ — ｑ ｌｂ ｉ ｍ ｓ ｅ ｍ ｆｏ ｓｒ ｃ ： ｕ ｒｏ ｃ ｎ ｅ ｕｉｉ ｒｕ ｔａ ｌ ｗ ｗ ｉｈ ｓ ｏｎ ａ ｏ ｃ ｄ ｎｓ ｔｏ ｗａ ｓ ｕ ｉ ｄ ｔ ｐ ｔ ｎｅ ｕｓ ｏｎ ｅ ａ ｉｎ ｓ ｔ ｄｅ ｎｕ ｅ ｉａ ｌ ． ｓ ｄ ｏ ｈ ｍ ｒｃ ｌｙ Ｂａ ｅ ｎ ｔ ｅ ｎｕｍ ｅ ｉａ ｉ ｕ ａ ｉ ｎ， ｔ ｏｎ ｅ ｕ ｌｂｒｕｍ ｔ ｅ ｍ ｏ ｎａ ｉ ｒｃ ｌｓｍ ｌ ｔｏ ｈｅ ｎ — ｑ ｉｉ ｉ ｈ ｒ ｄｙ ｍ ｃ ｐｈｅ ｍ ｅ ａ ｕｃ ｓ ｎｏ ｎ ｓ ｈ ａ ｔｅｈ ｈ ｏｍ ｏ ｅ ｕｓ ｎ ｌ ａ ｉ ｎ ａ ｄ ｔ ｏ ｄｅ ａ ｉ ｎ ｓ ｃ ｅ ｅ ｉ ｅ ｔｇ ｔ ｄ， ａ ｄ ｔ ｅ ｉ ｅ ａ ｔｏ ｅ ｗ ｅ ｎ ｔ ｅ ｇ ｎｏ ｕｃｅ ｔｏ ｎ ｈｅｃ ｎ ｎｓ ｔｏ ｈｏ ｋ ｗ ｒ ｎｖ ｓ ｉ ａ ｅ ｎ ｈ ｎｔ ｒ ｃ ｉ ｎ ｂ ｔ ｅ ｈ ｈ ｏｍ ｏ ｎｏ ｃ ｎｄｅ ａ ｉｎ ａ ｔ ｅ ｓ ｏｃ ｗ ａ ｒ ｖ ａ ｅ ． ｈｅ ｒ ｓ ａ ｃ ｆ ｃ ｓ ｄ ｏ ｔ ｃ ｄｅ ａ ｉ ｇｅ ｕｓ ｏ ｎｓ ｔｏ ｎｄ ｈ ｈ ｋ ｓ ｅ ｅ ｌ ｄ Ｔ ｅ ｅ ｒ ｈ ｏ ｕ ｅ ｎ ｈｅ ｏｎ ｎｓ ｔｏｎ ｃ ｒ ｃ ｅ ｉｔｃ ｎ — ｑｕ ｌｂ ｉ ｈａ ａ ｔ ｒ ｓ ｉｓ ｏｆ ｏｎ ｅ ｉｉ ｒｕｍ ｐｈａ ｅ ｈａ ｇｅ ｎｄ ｒ ｆ ｅ ｅ ｔ ｒ ｓ ｕ ｅ ． ｓ ｃ ｎ ｕ ｅ ｄｉｆ ｒ ｎ ｐ ｅ ｓ ｒ ｓ Ｔｈｅ ｎ ｌ ｎｃ ｏ ｉ ｅ ｓ ｅ ｍ ｉ ｆｕｅ ｅ ｆ ｎｌｔ ｔ ａ
汽轮机内湿蒸汽流动特性的数值模拟

汽轮机内湿蒸汽流动特性的数值模拟

第５２卷第３期２０１０年６月汽轮机技术ＴＵＲＢＩＮＥＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＶ０１．５２Ｎｏ．３Ｊｕｎ．２０ｌＯ汽轮机内湿蒸汽流动特性的数值模拟肖玉广１，徐惠坚２（１哈尔滨汽轮机厂有限责任公司，哈尔滨１５００４６；２哈尔滨商业大学，哈尔滨１５００２８）摘要：湿度对蒸汽轮机效率的影响及其对叶片的浸蚀作用极其复杂。

为了研究蒸汽凝结对流动的影响，采用商用软件ＣＦＸ一５数值模拟了某大功率凝汽式汽轮机末级的定常流动。

虽然定常计算所采用的混合平面法不能精确预测导叶和动叶之间的相对运动而产生的诸如湍流脉动和尾迹涡流等不稳定流动对凝结过程和水滴的生长过程的影响，但是对这一过程的近似模拟是很必要的。

关键词：汽轮机；湿蒸汽：流动特性；数值模拟分类号：ＴＫ２６２文献标识码：Ａ文章编号：１００１－５８８４（２０１０）０３－０１９９－０３ＴｈｅＮｕｍｅｒｉｃａｌＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆＷｅｔＳｔｅａｍＦ１０ＷＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｉｎＴｕｒｂｉｎｅＸＩＡ０Ｙｕ－ｇｕａｎ９１，ＸＵＨｕｉ－ｊｉａｎ２（１ＨａｒｂｉｎＴｕｒｂｉｎｅＣｏｍｐａｎｙＬｉｍｉｔｅｄ，Ｈａｒｂｉｎ１５００４６，Ｃｈｉｎａ；２ＨａｒｂｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＣｏｍｍｅｒｃｅ．Ｈａｒｂｉｎ１５００２８，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｔｈｅｗｅｔｎｅｓｓｏｎｓｔｅａｍｔｕｒｂｉｎｅｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙａｎｄｔｈｅｅｔｃｈｉｎｇｅｆｆｅｃｔｏｎｔｈｅｂｌａｄｅｗｅｒｅｖｅｒｙｃｏｍｐｌｅｘ．Ｆｏｒｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｎｇｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｓｔｅａｍｃｏｎｄｅｎｓａｔｉｏｎｏｎｔｈｅｆｌｏｗ，ｔｈｅｓｔｅａｄｙｆｌｏｗｏｎｌａｒｇｅｐｏｗｅｒｃｏｎｄｅｎｓｉｎｇｔｕｒｂｉｎｅｌａｓｔｓｔａｇｅＷａｓｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｅｄｗｉｔｈｃｏｍｍｅｒｃｉａｌｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌｓｏｆｔｗａｒｅＣＦＸ一５．Ａｌｔｈｏｕｇｈｔｈｅｍｉｘｉｎｇｐｌａｎｅａｐｐｒｏａｃｈｗｈｉｃｈａｄｏｐｔｅｄｂｙｔｈｅｓｔｅａｄｙｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎｃｏｕｌｄｎｏｔａｃｃｕｒａｔｅｐｒｅｄｉｃｔｅｄｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｔｈｅｔｕｒｂｕｌｅｎｔｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｗａｋｅｅｄｄｙｔｈａｔｇｅｎｅｒａｔｅｄｂｙｔｈｅｒｅｌａｔｉｖｅｍｏｔｉｏｎｏｆｔｈｅｇｕｉｄｅｖａｎｅａｎｄｔｈｅｒｏｔｏｒｂｌａｄｅｏｎｔｈｅｃｏｎｄｅｎｓｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓａｎｄｔｈｅｗａｔｅｒｄｒｏｐｇｒｏｗｔｈｐｒｏｃｅｓｓ，ｂｕｔｉｔＷａｓｎｅｃｅｓｓａｒｙｔｏｓｉｍｕｌａｔｅｔｈｅｓｅｐｒｏｃｅｓｓａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｔｕｒｂｉｎｅ；ｗｅｔｓｔｅａｍ；ｆｌｏｗｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉ加１计算条件静叶进口总压为３１１７１Ｐａ，进口总温为３４３．４５Ｋ，进口气流角为轴向进气，进Ｉ＝１湿蒸汽的干度为０．９９（所谓干度，是指每千克湿蒸汽中含有干蒸汽的质量百分数）；此透平末级湿蒸汽流动为跨音速流动，动叶出口给出背压为５８６０Ｐａ，动叶转速为３０００ｒ／ｒａｉｎ。

汽轮机基本知识

汽轮机基本知识

热工中基本参数有温度，压力，比容（密度的倒数）。

h（焓值）=内能+势能喷嘴中气流流过后，压力降低，动能增加汽轮机的基本工作原理：具有一定压力的水蒸气首先通过固定不动的，环状布置的喷嘴，蒸汽在喷嘴通道中压力降低，速度增加，在喷嘴出口处得到速度很高的气流，在喷嘴中完成了有蒸汽的热能转变为蒸汽动能的能量转换，从喷嘴出来的高速气流以一定的方向进入装在叶轮上的工作叶片通道（动叶栅），在动叶栅中蒸汽速度的大小和方向发生变化，对叶片产生一个作用力，推动叶轮旋转做功，将蒸汽的动能转化为机械能。

反动度：衡量蒸汽在动叶栅内的膨胀程度的参数。

在动叶栅中蒸汽的膨胀程度占级中总的应该膨胀的比例数，或是在动叶栅中理想焓降与级中的总焓降之比。

在纯冲动级中，蒸汽只在喷嘴叶栅中膨胀，在动叶栅中部膨胀，纯冲动级做功能力大，但流动效率低，一般不用，为了提高汽轮机级的效率，冲动级应具有一定的反动度，这时蒸汽的膨胀在喷嘴中进行，只有一小部分在动叶栅中继续膨胀，也称冲动级（=0.05-0.1），即带有反动度的冲动级在反动级中，蒸汽不仅在喷嘴中膨胀加速，而且在气流流经动叶栅通道时，继续膨胀加速，即蒸汽在动叶栅中，不仅气流的方向发生变化，而且其相对速度也有所增加，因此，动叶片不仅受到喷嘴出口高速气流的冲动力作用，而且还受到蒸汽离开动叶栅时的反作用力，所以反动级既有冲动力做功又有反动力做功，所以反动级的效率比冲动级的高，但功能力较小速度级：速度级的特点是在一个叶轮上装有两列或三列动叶栅，在两列动叶栅之间有一列装在气缸上的、固定不动的导向叶栅，一般是双列速度级，蒸汽经过第一列动叶栅后，其动能未被充分利用，从第一列动叶栅流出的气流速度任然相当大，有足够的动能再去推动叶片，此时气流速度的方向与，叶片旋转的方向相反，因此让气流经过一列固定不动的导向叶片，以改变气流的方向，在导向叶片通道中，气流速度的大小不变，气流离开导向叶片时的方向正好对着第二列动叶片的进口，这样第一列动叶栅出口的余速动能就可以继续在第二列动叶栅中继续转变为机械功，这种双列速度级的功率可比单列冲动级大很多，如果蒸汽离开第二列动叶栅时的速度任然很大，那么可以装设第二列导向叶片和第三列动叶片，这就是三列速度级，由于蒸汽在速度级中的速度很大，并且需要经过几列动叶片和导向叶片，因此速度级的能量损失就大，列数越多，损失就越大，一般就二列速度级。

1.4叶栅的气动特性

1.4叶栅的气动特性


叶栅几何特性 1、叶型、型线：叶片截面的形状、周线分别称为叶型、型 叶型、型线：叶片截面的形状、周线分别称为叶型、 线； 2、等截面叶片和变截面叶片：叶型及面积沿叶高不变的叶 等截面叶片和变截面叶片： 片称为等截面叶片，反之为变截面叶片。 片称为等截面叶片，反之为变截面叶片。 3、叶栅几何参数：（如右图） 叶栅几何参数： 如右图） d m ------平均直径； ------平均直径 平均直径； l ——叶高； 叶高； 叶高 t ——节距； 节距； 节距 叶片宽度； B ——叶片宽度； 叶片宽度 弦长； b ——弦长； 弦长 ∆ ——出口边厚度； 出口边厚度； a a1 a 2 ——进出口宽度。 进出口宽度。 进出口宽度
五、马赫数对叶栅特性的影响 气体的可压缩性对叶栅特性的影响。 气体的可压缩性对叶栅特性的影响。图 1.4.12 Ma>0.3~0.4存在一个叶型损失系数最小的 存在一个叶型损失系数最小的 最佳马赫数。 最佳马赫数。 Ma<最佳值：随Ma增加，汽流压力降落的 最佳值： 增加， 最佳值 增加 速度增加，附面层减薄，摩擦损失减小。 速度增加，附面层减薄，摩擦损失减小。
一、叶栅的几何参数和汽流参数 汽轮机叶栅的分类：冲动式叶栅、 汽轮机叶栅的分类：冲动式叶栅、反动式叶栅
反动式叶栅
Hale Waihona Puke 冲动式叶栅反动式叶栅喷嘴叶栅、反动度较大的动叶栅，叶栅前后 喷嘴叶栅、
有静压差，汽道宽度由进口到出口显著缩小。 有静压差，汽道宽度由进口到出口显著缩小。汽 流改变方向并加速。 流改变方向并加速。 冲动式叶栅
Ma>最佳值，背弧上产生超音速汽流，产生 最佳值，背弧上产生超音速汽流， 最佳值 冲波，引起冲波损失，虽摩擦损失减小， 冲波，引起冲波损失，虽摩擦损失减小，但数 值上不能弥补冲波损失，叶型损失增加。 值上不能弥补冲波损失，叶型损失增加。 马赫数与汽流出口角的关系曲线， 马赫数与汽流出口角的关系曲线，见图 1.4.12 Ma>1,斜切部分产生偏转，汽流出口角很快 斜切部分产生偏转， 斜切部分产生偏转 增加。总的来说， 增加。总的来说，马赫数对汽流出口角的影响 不大。 不大。