核电汽轮机低压级内水滴沉积与疏水槽除湿性能研究

姚金玲，王新军，李曦滨，范小平

(1.西安交通大学能源与动力工程学院，陕西西安，710049；2.东方汽轮机有限公司，四川德阳，618000)

核电汽轮机低压级内水滴沉积与疏水槽除湿性能研究

姚金玲1，王新军1，李曦滨2，范小平2

(1.西安交通大学能源与动力工程学院，陕西西安，710049；2.东方汽轮机有限公司，四川德阳，618000)

采用商用软件CFX对某核电汽轮机低压末三级叶栅通道中的水滴沉积规律进行了三维数值模拟，并初步研究了静/动叶片表面上的水膜流动特性，评估了次次末级后与次末级后疏水槽的除湿性能。结果表明：二次水滴比一次水滴更容易沉积在叶片表面上；水滴在叶片内弧的总沉积水量最多可达到背弧的10倍；静叶片上的水膜厚度沿轴向逐渐变薄，而动叶片上的沿轴向先缓慢变厚再变薄；两个疏水槽的除湿效率在11%左右。

核电汽轮机，水滴沉积，疏水槽，除湿性能

0 引言

随着高参数大功率汽轮机的大力发展，汽轮机中的湿蒸汽问题变得日益严重。尤其是核电汽轮机，如果不采取除湿措施的话，低压缸的排汽湿度将会超过20%[1]。根据汽轮机长寿命、高效率以及保证安全的原则，各厂家在设计汽轮机时必须考虑汽轮机内湿度的问题。目前，国内外各汽轮机生产厂家和科研机构对汽轮机除湿结构与技术进行了许多研究[2-4]，并发展出了各种形式的除湿方法和结构[5]。

汽轮机中的水滴主要是由一次水滴和二次水滴构成的。已有的研究结果表明:二次水滴是引起动叶片水蚀的直接根源。因此，研究核电汽轮机叶栅通道内水滴的运动与沉积规律以及叶片表面水膜的流动特性将有助于合理设计除湿结构，具有重要的理论意义和工程实用价值。

1 水滴运动与沉积规律数值计算

1.1 数值计算方法

汽轮机低压缸通流中的流动是极其复杂的湿蒸汽两相流动，流动过程不仅要考虑每一相内部的作用，还要考虑相与相之间的相互作用。本文在数值计算水滴的运动特性时，假定水滴是球形的并且尺寸不发生变化，忽略了重力及其他作用力对水滴的影响，水滴碰撞到固体壁面没有反弹而直接被捕获。

CFX中通过积分拉氏坐标系下的颗粒作用力微分方程来求解离散相颗粒的轨道。颗粒的作用力平衡方程在笛卡尔坐标系下的形式为:

式中:

μg—蒸汽分子粘性系数；

ρg—蒸汽的密度；

ρP—水滴的密度；

dP—水滴直径；

ReP—水滴雷诺数；

CD—阻力系数，其定义为:

式中，b1=0.1862436，b2=0.6529，

b3=0.4373157，b4=7 185.353。

1.2 计算模型与网格

某核电低压缸末三级的基本结构和计算网格如图1所示，在计算域进口与出口都加了延伸段，两个疏水槽分别位于次次末级动叶后和次末级动叶后。网格为HOH型结构化网格，总数为4.3× 106。进口给定总温总压，出口给定静压，两个疏水槽的出口给定质量流量。

图1 计算模型与网格

低压末三级进口的平均蒸汽湿度为6.3%，水相质量流量为13.7 kg/s。根据文献中的方法[6]，估算出末三级静叶前一次水滴的平均直径约为1μm。叶栅进口处的二次水滴直径及直径分布采用式（4）得到。

式中:

σ—水滴的表面张力；

Wecr—水滴的临界韦伯数，≈14；

ps—蒸汽的密度；

cs—蒸汽的速度矢量；

cw—水滴的速度矢量。

三个级进口的二次水滴平均直径分别为17.6 μm，48.1μm和94.45μm。图2和图3分别是一次水滴和二次水滴的质量分布图。

图2 一次水滴群质量分布曲线

图3 级进口二次水滴的质量分布图

1.3 计算结果与分析

图4和图5分别给出了次次末级叶栅通道中一次水滴和二次水滴的运动轨迹。从图中可以看出，二次水滴更容易被叶片壁面所捕获，这是由于水滴直径越大，运动惯性也大，保持原有运动状态的能力越强，撞击并沉积在叶片和汽缸表面的可能性越大。当水滴直径大于14μm时，水滴的径向分速度很小，运动轨迹几乎为直线，绝大部分水滴都能撞击到叶片表面并沉积下来。

图5 次次末级内二次水滴的运动轨迹

根据水滴的运动轨迹，可以得到水滴撞击在叶片壁面上坐标位置，并统计出末三级各叶片内/背弧不同轴向与径向位置的水滴沉积量与沉积率。

图6和图7分别是次次末级叶片内/背弧上的水滴沿轴向和径向的沉积量与沉积率分布。水滴在静/动叶片轴向和径向有相对沉积集中的区域，在叶片内弧的沉积量最大可达背弧的10倍。

图6 次次末级叶片内/背弧水滴沿轴向的沉积量

图7 次次末级叶片内/背弧水滴沿叶高的沉积量

2 水膜流动特性与疏水槽除湿性能

2.1 水膜流动特性

图8和图9分别为静/动叶片内弧与背弧上水质量分数的分布云图。从图中可以看出，静叶内弧表面上的水膜较均匀；背弧上的水膜呈间断状。动叶内弧表面的水膜向叶顶方向聚集，这样有利于疏水槽对水分的收集；背弧只在靠近叶顶的部分区域有水膜形成。

图8 静叶表面上水质量分数分布云图

图9 动叶水质量分数分布云图

图10和图11分别为静/动叶表面上的水膜厚度在四个叶高截面沿轴向的变化曲线图。在25%叶高处，液相水直接被甩向了叶顶方向，在叶片表面没有形成水膜。背弧水沉积量较小，进口的水质量流量较低，表面大部分区域水膜厚度还未达到水膜的临界厚度，只有在90%叶高处有水膜形成。内弧与背弧表面的水膜厚度沿轴向都是先缓慢变厚再变薄。

图10 静叶片上水膜厚度

图11 动叶片上水膜厚度

2.2 疏水槽除湿性能

进入疏水槽的液相分为三部分:级进口的水滴、动叶出口边撕裂形成的水滴和动叶表面沉积水分沿径向甩入的部分。

图12为级进口水滴在两个疏水槽内的运动轨迹。根据进入疏水槽内的水滴直径和百分比，通过换算，得到次次末级和次末级后疏水槽捕获的水质量流量分别占进口总水质量流量的0.994%和2.125%。

图12 级进口水滴在疏水槽内的运动轨迹

图13为动叶出口边撕裂形成的水滴在疏水槽内的运动轨迹图。次次末级和次末级后疏水槽捕获的水质量流量占进口总水质量流量的0.77%和0.32%。

图13 不同直径的水滴在疏水槽内的运动轨迹

沉积在动叶表面上的水分随着动叶旋转将会甩入疏水槽，如图9(a)所示。计算到次次末级动叶表面上的沉积水分沿径向甩入疏水槽的水质量流量比为9.32%。因此次次末级后疏水槽的总除湿率为以上3部分相加，最终结果为11.084%。

次末级动叶表面上的沉积水分沿径向甩入疏水槽的水质量流量比为9.38%。次末级后疏水槽的总除湿率的最终结果是11.8%。

核电汽轮机疏水槽的除湿效率如表1所示。2个疏水槽的除湿率也分别与文献[7]提出的结论相一致。

表1 核电低压缸疏水槽的除湿性能汇总表 %

3 结论

采用粒子输运模型对某核电汽轮机低压缸末三级叶栅内一次与二次水滴运动轨迹以及沉积量进行三维数值计算的结果表明:二次水滴较一次水滴更容易沉积；内弧的沉积量最大可达背弧的10倍。

疏水槽内去除的绝大多数水分为动叶表面上沉积的水分沿径向的水滴。次次末级后疏水槽捕获的水质量流量占进口总水质量流量的11.084%，次末级后疏水槽为11.8%。

[1]杨晓辉,单世超.核电汽轮机与火电汽轮机比较分析[J].汽轮机技术,2006,48(6):404-407

[2]王新军,高铁瑜,徐廷相.汽轮机空心静叶去湿缝隙结构的研究[J].热能动程,2005,20(1):14-17

[3]Petr V,Kolovratnik M.Modelling of the droplet size distribution in a low-pressure steam turbine[J].Proc.Inst.Mech. Engrs,2000,214(Part A):145-152

[4]Crane RI.Droplet deposition in steam turbines[J].Proc.Inst.Mech.Engrs,2004,218(Part C):859-870

[5]A.J.White,J.B.Young and P.T.W alters.Experimental validation of condensing flow theory for a stationary cascade of steam turbine blades[J].Phil.Trans.R.Soc.Lond,1996, 354(1704)：59-88

[6]俞茂铮,姚秀平,孙弼,等.核电600MW汽轮机末级空心静叶去湿结构设计方案计算与分析[R].1997

[7]Hofer,et al.M oisture Removal Pocket for Im proved M oisture Removal Efficiency[P].2002-4-23

Research on Deposition ofWater Droplets and Moisture Removal in LP Last Three Stages of Nuclear Steam Turbine

Yao Jinling1，Wang Xinjun1，Li Xibin2，Fan Xiaoping2
（1.School of Energy and Pow er Engineering,X i'an Jiaotong University,X i'an Shaanxi,710049; 2.Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

In this paper,w ater drop letsmovement and deposition characteristics in LP last three stages cascade channel for a nuclear steam turbine w ere first numerically calculated.Flow characteristicsof the w ater film on the stator/rotor blade surface w as prelim inarily studied.Moisture removal performance in the circum ferential slots downstream the third last stage and the second last stage was calculated and evaluated.The resultsshowed that the coarse dropletswere easier to be deposited on the blade surface than that of fine droplets.The dropletsdeposition mass on the blade pressure surface wasmaximally 10 times that on the suction surface.Water film thicknesson the stator blade decreased along the axial direction.Water film thicknesson the rotor blade along the axial direction first became thick gradually,and then became thin.M oisture removal rate of tw o circum ferential slotswere about 11%.

nuclear steam turbine,w ater depositions,circum ferential slot,moisture removal performance

TK262

：A

：1674-9987（2014）01-0013-06

姚金玲 （1989-），女，西安交通大学能源与动力工程学院硕士研究生。