湿式汽轮机叶栅热喷射最佳位置的综合研究

王庆生

（哈尔滨汽轮机厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨 150046）

0 引言

在许多工业设备中会发生凝结现象，如超音速喷管、热压机、汽轮机叶片、喷射器和冷凝器等。在低压汽轮机的末级膨胀过程中，过热蒸汽通过饱和线进入两相流区，并产生较大的流动，形成许多细小的液滴。涡轮内液相的存在，一方面会造成叶片的热力学损失、气动损失、叶片侵蚀、侵蚀损伤和热效率降低，另一方面湿度增加会降低湿式汽轮机效率。

为更好地理解蒸汽凝结流动，研究了近几年的大量文献以及各种式蒸汽流动数值模型的求解，总结实验数据验证解析方法。例如，Sharifi 和Mazzelli 团队基于非平衡冷凝的影响因素来研究喷射器以及热压机的流动参数，Dykas 团队对单流体模型与双流体模型进行研究、比较，Wroblewski 采用矩量法计算双流体液滴半径模型，山本研究组基于进口位置湿度来研究涡轮叶片内湿蒸汽流动对压缩机的影响。

研究人员的重点是如何减少工程系统中的不可逆性，以及如何将传热和粘性应力降低到最小状态、获得最佳性能。因此，一致认为熵产是衡量的标准工程系统设计中的不可逆性的重要指标。显然，有一些方法可以减少热力学损失和熵产，最近进行了大量的研究。Gerber 和Kermani 团队提出湿蒸汽流动的热力学对气动损失的影响，Lakzian 团队在聚结过程对熵的影响方向进行了深入研究，也对发散喷嘴中冷凝湿蒸汽流的产生规律进行了模拟，并研究了湿蒸汽中汽液相之间滑移的影响，以及一维超音速喷管内的流动。Mahpeykar 研究了体积冷却和加热对两相参数的影响流动，冷凝激波定位和熵产，利用一维收敛—发散喷嘴解析。Ahmadpour 等人调查了入口过热和体积冷却的影响作为两种实际的控制选择湿蒸汽流中的凝结。他们证明这两种方法都能有效减少湿损失和提高热压机和汽轮机的性能。Lakzian 团队研究表明，可以通过加热涡轮容积来减少叶片的湿量，这是因为容积加热可以减少熵的生成。Han 团队设计了定子叶栅端壁栅栏，并安装在通道中，探索了不同加热强度和不同放置位置对级联性能的影响。Boroomand 和Mirhoseini 注入热将蒸汽在会聚—发散型喷嘴中转化为湿蒸汽流动，研究其对两相流动参数的影响。通过遗传算法，他们提出了最优的HSI（Latent Heat of Vaporization，热蒸汽注入）量，结果表明，在收敛—发散型喷嘴中，湿度和液滴半径都会影响恒定生成指数。

如何控制冷凝现象是影响汽轮机叶片性能的关键问题。HSI进入叶片通道以及降低出口液质量分数，可以控制凝结现象。上述文献提供了研究基础，但并没有能详细介绍气体喷射的最佳位置。在已知压强分布、马赫数的条件下，靠近吸力侧的液体质量分数与靠近压力侧的液体质量分数需要考虑到不同位置的吸力和压力，以选择最佳位置。为此，采用EEHIC（Energy Efficient Home Improvement Credit）方法注射位置与未注射情况下进行比较，采用湍流模型模拟涡轮叶片内的粘性流动，来选择得出最佳位置。

1 数值方法

1.1 控制方程

在本研究中，采用单流体模型求解，建立了液滴的质量、动量和能量守恒方程、数值方程和湿度方程。该模型同时计算了液相和气相求解了液滴和蒸汽流体相结合的控制方程。由于液滴半径小或阻力小，两相之间滑移速度被忽略。

1.2 边界条件

总压力和温度、液滴数量和液体质量分数，由于超音速流动的所有热物理性质为叶片亚音速入口边界和喷射槽指定。

1.3 侵蚀率

液滴导致的侵蚀被认为是蒸汽轮机设计中最严重的问题之一，因为它会造成机械损坏。Lee 等人提出了一个模型计算侵蚀速率，该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：在水滴成核和生长过程中，热力学和动力学蒸汽的性质也会改变，导致蒸汽的工作能力降低。这些变化称为湿度损失，在设计蒸汽轮机过程中对湿度损失的计算非常重要。当成核现象发生时，蒸汽液滴表面的分子凝结、液滴生长，导致冷凝损失。冷凝过程是一个不可逆过程。

1.4 数值模拟

控制方程采用基于密度的有限体积法求解，采用Roe 方法计算对流通量，最后采用二阶精度的迎风方法进行空间离散。Bakhtar 等人目标的实验数据用于验证湿空气的数值解汽轮机叶片中的蒸汽流量，列出了几何规格和该叶片的边界条件。

（1）入口的滞止压力和滞止温度。叶片的压力分别为172 kPa和380.66 kPa，叶片入口的流量为亚音速、出口处为超音速。

（2）3 组四边形计算网格：精细（30 840 个单元），中等（14 440 个细胞）和粗（7432 个细胞）通过网格收敛进行计算和分析索引以获得最佳计算网格。

（3）关于湿蒸汽冷凝流量的规范，取质量流率为参数。

（4）喷嘴A 和B 的几何形状，具有指定的入口边界条件：喷嘴A 的停滞压力为25 kPa，停滞温度为354.6 K，喷嘴B 的停滞温度为357.6 K。

为了获得最佳计算网格，使用GCI（Grid Convergence Index，网格收敛指数）方法确定适当的网格分辨率。喷嘴A 采用具有9200 个单元的四边形网格、喷嘴B 使用15 000 个单元的四边形网格，沿喷嘴中心线，从模拟和实验摩尔喷嘴A 和B 获得数据。

2 结果和讨论

2.1 热蒸汽注入（HSI）

本研究的主要目的是将热蒸汽注入适当位置以消除湿度和液滴半径的影响，并减少产生的熵。自从bakhtar 的涡轮叶片具有实验半径尺寸，该叶片用于研究HSI 在吸入侧和压力侧的不同位置执行。对于每个注射位置完成中心线上的压力分布后，通过选择最佳网格检查注射部位的影响。

2.2 评估HSI 位置的影响

当湿蒸汽在涡轮叶片上流动时，当马赫数上升时横截面、压力和温度在叶片收敛部分减小。之后，尽管压力和温度马赫数和流动横截面增加，但仍继续减小。此外，过冷的程度是非平衡的标准蒸汽增加，因此形成液相以恢复平衡。

首先，增加液滴，然后是蒸汽温度。根据瑞利流特性，向超音速流提供热量会增加压力并降低马赫数，之间液相的影响是每个涡轮级的效率降低约1%（在1%湿度下）。在本研究中，由于侵蚀和湿度的存在，使用HSI 来降低湿度，考虑到压力、温度和HSI 速率的限制，选择适当的HSI 位置对EEHIC 有很大影响。

本项目在不同位置评估HSI 位置对吸力和压力侧，喷射角为90°，喷射槽宽度为0.09 E#c、注入，注入蒸汽温度为500 K，压力侧喷射压力为170 kPa，压力侧为160 kPa。在吸入侧，考虑了5 个注射位置，以检查影响注射位置。此外，1 号和2 号的注射位置位于叶片处收敛部分（亚音速部分），3 号和4 号位于叶片发散部分（超音速部分5 号是在吸入侧发生第一次空气动力冲击之后靠近叶片出口，在压力侧6 号～10 号的注射位置位于叶片收敛部分（亚音速）。热量和质量被添加到HSI 的流动中。尽管使用了简单的假设流动，二维数值解用于评估HSI 的影响，因为两相流条件和涡轮叶片几何形状的复杂性。喷射位置对吸入侧和压力侧的影响叶片中心线的压力和温度比，并与没有的情况进行比较。注射叶片收敛部分吸入侧和压力侧的HSI（注入1 和在吸入侧注入2 次，在压力侧注入6～10 次）喷射位置处叶片中心线的温度。此外，超音速部分（3 号、4 号和5 号喷射）显示了不同喷射中叶片中心线的马赫数位置。叶片收敛部分的HSI在领先时降低马赫数叶片发散部分的马赫数突然变化。气流在喉部不能变成音速，马赫数在喉部之后和叶片的发散部分增加。原因是HSI 为气流创造了一个理想的喉部，导致喷射中心线的马赫数增加（3 号和4 号喷嘴）。在几乎位于叶片末端的喷射5中，显示出气流具有类似于叶片收敛部分无喷射的情况，导致扩散部分的压力和温度增加，在注射位置附近马赫数减少。

比较不同位置的HSI 对成核图、液体质量分数和叶片中心线处的平均液滴半径。HSI 略微延迟叶片中心线处的成核开始，在成核过程中在吸入侧，注射1、注射2 和注射3 的最大成核值较大，而4 号注入的最大成核值小于不注射的情况。在注射5中，没有显著变化与不注射的情况相比。在成核图的压力侧，HSI 略微增加了最大成核量。然而，吸入侧的HSI 减少了叶片中心线处的液体质量分数，注射4 中的液体质量分数为0。

3 结论

在验证了涡轮叶片的数值解之后，本项目研究了HSI 对两相流参数的影响，以选择最佳注入位置。多次注射选择吸入侧和压力侧的位置，是因为在吸入侧和压力侧附近流动。此外，考虑采用EEHIC 方法选择最佳注射位置。然后，研究了HSI 对每次注射的5 个参数的影响，未来将研究压力、温度、槽角的影响。结果表明，HSI 降低了叶片中的入口质量流率压力、温度和收敛部分的马赫数，以及突然上升压力、温度和发散部分的马赫数。建议热蒸汽应注入冲击前的一个位置且温度最低流。在本研究中，4 号注入位置减少了冷凝损失和侵蚀与未注射的情况相比，分别提高了81%和99%以上。