静叶内弧中部热蒸汽喷射的数值研究

第41卷 第9期2009年9月哈 尔 滨 工 业 大 学 学 报J OURNAL OF HARBI N I NSTI TUTE OF TECHNOLOGYVo l 41N o 9Sep .2009静叶内弧中部热蒸汽喷射的数值研究徐 亮,颜培刚,黄洪雁,韩万金(哈尔滨工业大学能源科学与工程学院,哈尔滨150001,x l 03s @163.co m )摘 要:为了使汽轮机更安全运行,在除湿级的静叶内弧中部开设宽度和喷射角度不同的缝隙除湿结构.对流体区域进行定常三维雷诺平均N -S 方程的两相数值模拟,分析热蒸汽喷射对流场的影响.引入火用参数的方法进行能量转化过程的经济性评估.结果表明:同一喷射流量下,顺主流喷射且缝隙宽度越大,喷入热蒸汽的火用值越小且与主流的掺混强度越弱,其火用有效效率越高,即流动损失越小.在喷射流量比小于6%时,各方案的火用有效效率均比无热蒸汽喷射的原型要高.关键词:汽轮机;湿蒸汽;静叶片;除湿缝;火用分析中图分类号:TK269文献标识码:A文章编号:0367-6234(2009)09-0046-05Nu m erical research on hot stea m i njecti on at the centralpart of stator i nner -arcXU L iang ,YAN Pe-i gang ,HUANG H ong -yan ,HAN W an -ji n(Schoo l of Energy Sc ience and T echno l ogy ,H arb i n Institute of T echnology ,H arb i n 150001,Ch i na ,x l 03s @163.co m )Abst ract :In or der to enhance the safe operation o f a stea m tur b i n e ,m o isture re m oval slot configurati o ns w ith different opening w i d ths and injecti o n ang les w ere i n turn set at t h e centra l part o f a stator inner -arc for the special dehum idifier stage .The fl o w field w as analyzed co m parati v e l y by t w o -phase fl o w num erical si m ulation of solv i n g the steady three -d i m ensi o na lR eynolds averaged N av i e r -Stokes equati o ns on the basis o f rea l w atervapor ther m o -physica l pr operties ,and the effect o f ho t stea m i n jecti o n on the flo w fie l d w as co m paratively ana -l y zed .Exergy para m eter w as i n troduced as a m easure to evaluate the econo m ic cost of energy conversion process .It is ind i c ated that the b i g ger slot a long the m ai n strea m directi o n requires the l o w er exergy of ho t stea m and has the lessm i x i n g intensity i n the case of t h e equivalent injected quantity ,wh ile it has h i g her e-f fecti v e ex ergy efficiency ,.i e .the relati v e l y l o w er fl o w loss .M oreover ,exer gy effecti v e efficiency w ith the m ass flo w rati o less than 6%is h i g her t h an tha t o f the ori g ina l one w ithout hot stea m injecti o n .K ey w ords :stea m t u rb i n e ;w et stea m ;sta ti o nary b lade ;m o isture re m oval sl o ;t exergy analysis 收稿日期:2008-03-25.作者简介:徐 亮(1980 ),男,博士研究生;黄洪雁(1968 ),男,教授,博士生导师;韩万金(1942 ),男,教授,博士生导师.对湿蒸汽区工作的汽轮机叶片,在化学和机械的作用下水蚀是叶片损坏最主要的原因之一[1].在汽轮机中,蒸汽膨胀到w ilson 线下(湿度在2 5%~3.0%),出现直径为0 01 m 以下的极微水滴,接着其迅速长大到约1 m[2-4].在汽流通道内大部分水滴跟随主流流动,小部分水滴被叶片表面俘获,逐渐连成水膜,水膜发展到一定厚度(约100 m ),在静叶尾缘被周围汽流所撕碎,成为直径数十到数百 m 的大水滴,接着以不同运动方式撞击动叶的前缘.尽管这部分大水滴只占全部湿度的10%以下,却是工作叶片损坏乃至断裂的主要原因.对于汽轮机因湿蒸汽引起的问题,国内外相关专家一直以来都极为关注[5-9].本文在某汽轮机除湿级空心静叶的内弧中部开设喷射缝,设计了不同缝隙宽度和喷射角度的多种方案.基于湿蒸汽的真实热物理性质,利用CFX 软件在单个静叶槽道、叶片内腔及缝隙结构等流体域内进行定常三维雷诺平均N -S 方程的两相数值模拟.比较分析各方案的计算结果,探讨不同方案下热蒸汽喷射对槽道内流场的影响,为设计汽轮机内的除湿方法提供参考.1 喷射缝的结构设计及研究方案本文在某汽轮机第五级空心静叶的内弧中部开设与叶片等高的喷射缝.本文的原型静叶为常规的直叶片,叶片的内腔外型依此叶片型线所设计.空心内腔的顶部比叶片顶部高出1/5,是为了尽量消除热蒸汽进汽对叶片温度的影响.喷射缝的几何结构如图1所示.EF 为叶型的弦长,以b 表示.在EF 上取一点G,EG 的长度以l 表示,使l/b 为0 5,过G 点垂直于EF 作直线交叶型内弧于O 点.在O 点作叶型型面的切线,其与缝隙中线OO 1的顺时针夹角记为喷射角 .以O 点为圆心,以缝隙宽度为直径作圆交叶型内弧于A 和C.平行于喷射缝隙中线,从A 、C 作直线分别交叶片内腔型线于B 、D,则AB 、CD 为喷射缝隙的型线.以喷射角和缝隙宽度为变化参数,取宽度3,2,1mm,划分为PA,PB ,PC 系列方案;喷射宽度一定情况下,再依次取喷射角120 ,90 ,60 分别命名为1,2,3方案,这样共9个方案.图1 喷射缝结构2 数值计算方法、边界条件及网格本文采用CFX 软件,其对流场数值模拟时采用有限体积法和全隐式耦合求解技术,对流体场求解定常三维粘性雷诺平均N -S 方程.方程的离散格式为迎风差分格式加水平对流修正,具有二阶差分精度.湍流模型为标准的k - 模型加壁面函数方法.对湿蒸汽中的汽液两相采用均匀介质两相数值模型,它是一个有条件限制的Eulerian /Eulerian 数值模型:不需要计算液相水滴的凝结成核及其增长过程,只计算其湿度分布.对湿蒸汽的热物理性质,用平衡相变模型模拟,此模型假定在当地变化平衡,这意味着相变发生迅速,以至于工质干度可以直接由相变曲线决定.在平衡相变化的计算过程中,汽相质量比例(干度) 按下式计算: =[h -h S a,t V (p )]/[h S a,t V -h S a,t L (p )].其中:h 为静焓,h Sa,t V ,h Sa,t L 分别代表汽相和液相的饱和焓,这两个饱和焓为压力的函数.因此,当 <0时,混合物为100%液体;当 >1时,混合物为100%干蒸汽,此时根据饱和和过热蒸汽的真实性质编成表格进行插值计算;当0< <1时,混合物为湿蒸汽,其属性参数:mix (p )=(1- ) S a,t L (p )+ S a,t V (p ). 根据此模型编制湿蒸汽工质属性的自定义fortran 文件,以供在CFX 计算时调用.在计算时,叶栅流道采用的工况参数基于无热蒸汽喷射原型的实际运行工况.流场的初始条件如下:叶栅槽道进口均匀进汽,给定总温397K 、总压0 2238MPa ,湿蒸汽干度0 9124,出口按简单径平衡方程给定背压分布,周向质量平均背压为0 1437M Pa ;以内腔顶部作为热蒸汽喷射的进口,给定热蒸汽的总温为423 16K.对于每个方案,维持叶栅进出口和热蒸汽的总温不变,进行不同热蒸汽喷射流量下的数值计算.叶栅槽道的周向两侧采用周期性边界条件,固壁设为绝热无滑移边界条件,近壁面采用对数壁面函数.计算网格在Ansys I CE M 网格软件中生成,对所分析的每个计算域采用不重叠分区算法将其分解成多块子区域.计算区域基本为H 型与O 型网格块相结合的结构化网格,其中单个槽道区域(58万网格)被分成8块子区域,叶片空心内腔区域(24万网格)被分成6块子区域,缝隙区域(4万网格)为1个H 型网格块.与固壁衔接的流体域采用区域网格加密方法,近壁面第一层网格的y +都大约为5.此外缝隙出口处与叶栅槽道相交接处的网格为一一对应方式,以保证通量在该位置处的严格守恒性.本文通过计算单个流道不同网格数下的流场表明,网格数达到55 104以上,其叶栅流量基本保持不变,由此认为55 104网格可使单个流道的求解具有网格无关性.3 结果与分析在曙光并行机上实现数值模拟,在两个节点并行情况下,每次求解要达到计算结果收敛(如图2,速度与压力残差Y 都在10-6以下,其残差曲线呈小波动的水平直线)需要约20h.3 1 热蒸汽喷射对叶栅出口参数的影响图3(a)中纵、横坐标的数值分别为叶栅出口流量和热蒸汽喷射量与原型叶栅出口流量的比值.47 第9期徐 亮,等:静叶内弧中部热蒸汽喷射的数值研究图2 速度与压力均方根残曲线各方案的叶栅进出口参数设置相同,不同流量下热蒸汽喷射对槽道内的流动起一定的阻滞作用,叶栅进口流量都有所减小;然而,图中叶栅出口流量比均在97 5%以上,这说明热蒸汽喷射对叶栅的出口流量的影响很小.就各方案的比较而言,当逆主流喷射时(如PA1,PB1,PC1方案)时,其叶栅出口流量随热蒸汽喷射量的增加而呈线形下降趋势,变化范围较大.当顺主流喷射(如PA3, PB3,PC3方案)时,叶栅出口的总流量变化曲线先下降后上升,变化的范围很小.同一喷射角度下,相同热蒸汽喷射流量下对出口流量的影响随宽度的减小而变弱.图3(b)中纵坐标的数值为出口总体质量平均下出口湿度原型与各方案之差值的百分比.众所周知,汽轮机中湿蒸汽的液相水会使效率降低,虽然产生附加损失的机理至今还不能准确地加以论述,但早有考虑湿蒸汽损失而提出修正汽轮机效率的经典经验公式,即B aum ann公式.Baum ann 指出级内出现1%的湿度,机组效率大约降低1%.由此热蒸汽喷射能使出口湿度得以降低,这必将带来能量损失的减小而增加级效率.对于单个方案,出口干度随着热蒸汽喷射量的加大而将线性增大.在热蒸汽喷射流量比<6%时,对计算的每个方案,同一喷射量对应同一个出口湿度,它只和热蒸汽喷射量有关,与喷射缝隙的几何参数基本无关.当较大热蒸汽喷射流量比下(>6%),加大缝隙宽度和逆着主流方向喷射可使出口湿度变化斜率更大,即对提高级效率有利.图3(c)中纵坐标的数值为出口总体质量平均下各方案与原型出口汽流角的差值.就目前计算的热蒸汽喷射流量条件下,逆主流喷射的PA1, PB1,PC1方案,出口汽流角变化趋势基本一样,变化范围(0 6 ~1 3 )大;而顺主流喷射如PA3、PB3、PC3方案,改变出口汽流角的能力很小(0 65 ~0 8 ),基本呈水平线变化.出口气流提前角小,这说明顺主流喷射热蒸汽对于叶栅出口汽流角影响小,主要为蒸汽射流喷出后很快就被槽道内主流压制在近壁面附近流动,不会强烈扰乱主流的汽流方向.这样就不会导致工作动叶在非设计工况下运转而带来极大的级效率损失.方案对比表明:对缝隙宽度和喷射角度两个参数而言,同一热蒸汽喷射量下,喷射角对出口汽流角的影响起主要决定作用.图3 各方案叶栅出口流量比、湿度、提前角随喷入热蒸汽流量比的变化3 2 火用参数分析汽轮机的损失机理非常复杂,而常用能量损失的计算大多是依据理想气体的性质或运行经验进行估算,这样不能很好地解释真实的蒸汽流动状况.基于热力学第二定律,本文引入火用参数来评估能量转化过程中的经济性.火用又称有效能或可用能,是指在一定参考状态下,能量中可以转化为有用功的部分,它揭示了能量的品质,火用值越大,工质的能量品质越高.火用分析是研究能量转化的重要方法,已在能源领域得到广泛应用[10-11].在没有化学变化且忽略宏观动能和位能时,对于任意状态下每千克稳流工质的最大做功能力(也称为比火用e)可写成下式:e=w max t=h-h0-T0(s-s0).其中:下标0代表环境参数,T,h,s分别代表工质的温度、比焓和比熵.按照第五届国际水蒸汽性质48哈 尔 滨 工 业 大 学 学 报 第41卷会议通过的决议,液相水在三相点的熵和自由能的数值规定为零.故本研究采用的比火用以此为起点,e =h -h 0-T 0s.这样T 0为273 16K ,h 0为0 6112kJ/kg ,e 的单位为J/kg .为分析静叶叶栅工作过程中因热蒸汽的加入对叶栅气动性能的影响,量化不同热喷射情况下的叶栅能量损失,定义火用有效效率来衡量叶栅气动性能优劣程度.对于不同品质的热蒸汽在静叶槽道中掺混,现定义火用有效效率 e 如下:e =E out /E in =M 2e 2/(M 1e 1+M s e s ).式中:E in 、E out 分别为系统所有进、出口处的总火用值,下标1、2、s 分别代表叶栅进、出口和缝隙热蒸汽喷入口;M 为相应处的蒸汽流量,e 中的参数取相应位置处总体质量平均的状态参数.图4纵坐标上的黑点表示原型叶栅无热蒸汽喷射时的有效效率.就所有方案而言,只有喷射热蒸汽流量比<6%时,系统的火用有效效率就比原型的要高.对单个方案,火用有效效率随喷射流量的增加而下降,这是因为在缝隙尺寸一定下,加大热蒸汽喷射量,表现为引入热蒸汽的压力和流速越来越大,即热蒸汽的火用值越来越大,同时与主流的掺混强度也越大,火用有效效率势必会减小.图4火用有效效率随喷入热蒸汽流量比的变化同一喷射角度下,喷入相同的热蒸汽量,缝隙宽度越小,其进入的热蒸汽压力越大,火用值更大,因节流作用大势必导致火用有效效率越小.同一缝隙宽度和热蒸汽喷射量下,随主流方向喷射比逆主流喷射要容易得多,要求热蒸汽的压力要小,且喷入的热蒸汽和主流的掺混强度更为缓和,这样可有效提高火用有效效率.因此,一定热蒸汽喷射流量下,减小喷射角度(尽量顺主流)和在叶片强度许可范围下加大缝隙宽度可以提高火用有效效率.3 3 热蒸汽吹扫对槽道内流场的影响热蒸汽射流的发展过程一般为上升(可能穿过附面层,渗透到主流中) 压弯(并与附面层或主流流体掺混) 再附(重又附着于型面上,或完全耗散不再发生再附).当热蒸汽喷射流量较低时,射流很快被主流压向型面形成热蒸汽薄层,替代原来型面附面层内的低能流体,这样将有效提高流动效率.当喷射流量较高时,热蒸汽射流将首先离开型面一段距离,然后在主流的压制作用下重又依附于型面上,射流在喷射缝出口更近似于柱形的固体障碍物,附面层内的低能流体将产生类似于圆柱绕流的现象,从喷射孔出口到再附点这段距离内,射流下部区域将被射流的高能流体所占据.同时,有部分主流流体绕流到射流下面的型面上,与喷射流体掺混,形成的热蒸汽垫厚度受到破坏而下降,此时掺混剧烈带来较大的气动损失.因而喷射流量对热蒸汽喷射性能及流场结构影响极大.此外喷射方向也是一个关键的参数,当喷射流量较低且喷射汽流方向顺着主流方向时,热蒸汽射流沿型面法线方向的速度分量较小,易于被蒸汽主流所弯曲,并迅速依附在型面上,提高形成保护热蒸汽薄层的效果,掺混过程也越容易被控制在附面层内,对流场结构的影响较小;喷射汽流方向对着甚至逆着主流方向时,掺混过程有可能发生在主流区,结论正好相反.图5中图5 喷射流量比为5 3%的PA 系列方案在相对叶高0 5的S 1流面缝隙处的流线图49 第9期徐 亮,等:静叶内弧中部热蒸汽喷射的数值研究PA1、PA2方案分别为逆着与对着主流喷射,缝隙前槽道附面层内的低能流体在缝隙内形成了一个低速漩涡,同时,喷射的热蒸汽在主流的压制下在缝隙的下游也产生一个漩涡.而顺着主流喷射的PA3方案,喷射蒸汽易于被蒸汽主流所弯曲,很好地消除了这两个漩涡,这样就减小了流动损失.至于缝隙宽度,喷入同样的热蒸汽,减小宽度意味着喷入的热蒸汽流速提高,则更易于冲出壁面附面层进入主流区;同时因与主流掺混的相对面积减小,则掺混的强度势必加大,带来更大的流动损失.4 结 论1)内弧中部顺主流的热蒸汽喷射,能有效减少叶栅出口的湿蒸汽湿度而提高级效率;同时,对槽道内的出口流量和出口汽流角影响很小.2)运用火用参数分析了静叶叶栅工作过程中因热蒸汽的引入对叶栅气动性能的影响,发现此位置处的各方案只要热蒸汽喷射流量比在6%,以下就有比原型叶栅更高的火用有效效率.在一定的热蒸汽喷射流量下,减小喷射角度和在叶片强度许可范围下加大缝隙宽度可以提高火用有效效率.3)在一定流量比(<6%)下,内弧中部顺主流喷射能消除掺混过程形成的漩涡结构,从而有效减小流动损失.4)本文各方案对比表明:内弧中部热蒸汽喷射流量比最佳为6%左右.在此流量下,顺主流宽度大的PC3方案为最佳方案.参考文献:[1]杨光海.汽轮机叶片的安全防护.[M ].北京:机械工业出版社,1992.[2]M OORE M J ,SIEVERD ING C H.Two -Phase SteamF lo w i n Turb i nes and Separa tors .[M ].W ash i ng ton :H e m isphere Pub lish i ng Corporati on ,1976.[3]BAKHTAR F,YOUNG J B ,WH I TE A J ,et al .Class-ica l nuc l ea tion theo ry and its applica ti on to condens i ng steam fl ow ca l culati ons [J].Proc Inst M ech Engrs ,2005,C219(12):1315-1333.[4]蔡颐年,王乃宁.湿蒸汽两相流[M ].西安:西安交通大学出版社,1985.[5]BAKHTAR F .Specia l issue on w et stea m-pa rt 2,P roc .Inst .M ech .Eng rs ,Pa rt C ,2005,219(12):i -ii.i [6]TANUMA T,SAKAM OTO T.T he remova l o fw ater fromsteam t urbi nes stationary b l ades by suc ti on slots [J].IM echE 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