汽轮机静叶内压㶲传递特性研究

2015-03-25张明智

电力科学与工程 2015年2期

张明智，袁晖，郭婷

(华北电力大学能源动力与机械工程学院，河北保定 071003)

0 引言

㶲概念的提出促进了热力学的发展及能量的合理利用。㶲传递理论是㶲分析理论的深入和拓展，㶲理论主要研究在一定的环境条件下体系的能量、㶲的传递和转化规律，兼顾能的“动态”与“静态”特性，在强调系统与环境相互作用的基础上，将能的“质”与“量”更好地结合，反应能量转换中的损失机理及可改进的措施［1］。能量的传递过程遵循守恒定律，但实际过程中的㶲流并不守恒，因此分析㶲传递过程中的规律，㶲阻产生的原因，㶲流强度的影响机理能更好地减小可用能的损失，实现能量的高效传递。

㶲传递的概念早期由John Soma［2］的能量超越方程引入，后续的学者［3～6］在此基础上对㶲传递方程的应用方向进行了拓展，相继提出了㶲流、㶲阻、㶲传递系数、传㶲量等概念，随着节能降耗要求的提高，许多学者对于㶲传递理论的研究不断发展深入，从㶲传递方程出发分析了㶲阻产生的原因、㶲传递过程的优化、㶲流强度的影响机理等，为㶲传递在工程应用上提供了理论依据。按作用势场的不同，㶲传递可分为热㶲传递、机械能㶲传递、以及化学㶲传递等。近年来关于㶲传递理论的研究主要集中于以温度场为主势场的热㶲传递基础研究及工程应用方面，且多集中于一维、二维稳态及非稳态的热传导方面［7～10］。

目前关于机械能㶲传递中以压力势场为主势场的㶲传递研究较少。工程中依靠压差来实现能量转化及传递的系统及设备也较为广泛，制冷、发电等领域都会涉及到工质膨胀以实现能量的转化及传递。压㶲就是稳流工质从一定压力状态可逆变化到死态时理论上所能转换为任何其他能量形式的那一部分能量。从热力学的观点看，工程领域中任何物质的迁移或传递都是做功引起的，因而是一种㶲传递过程。以压力为主势场的㶲传递过程称为压㶲传递。本文以火电机组中的汽轮机级内静叶部分为例，分析了水蒸气在汽轮机级内静叶中的压力㶲传递特性。从㶲传递角度，为汽轮机静叶流通部分的优化及运行提供理论依据，据此可以进一步增强㶲传递过程强度的方法和技术，以取得有助于高效节能的新方法和新技术。

1 压㶲传递的物理模型

对于一个系统的总㶲流可表示为:

式中:ET，EP，Ec，Eμ，Ex分别表示热㶲流量、压㶲流量、动㶲流量、化学㶲流量、其他形式的㶲流量，kJ/m2;对应的KeT，Kep，Kec，Keμ，Kex分别表示热㶲传递系数，压㶲传递系数，动㶲传递系数，化学㶲传递系数及其他势场下㶲传递系数，W/(m2·Pa)。

火电机组汽轮机的静叶部分为渐缩型喷管，工质流道的几何形状如图1 所示，可简化为图2所示的喷嘴流道。

图1 汽轮机级内静叶部分流道

图2 简化后的喷嘴流道

考虑到工质在静叶部分的流动可近似看作稳定流动体系，故单位工质的物理㶲可表示为:

式中:h，h∞分别表示单位工质的焓值、单位工质在环境状态下的焓值，kJ/kg;T∞表示单位工质在环境状态下的温度，℃;s，s∞分别表示单位工质的熵值、单位工质在环境状态下的熵值，kJ/(k·kg);c表示单位工质的速度，m/s;z表示单位工质的相对高度，m;对于静叶部分流动的工质来说，位置势能相对焓值可以忽略不计，由熵定义及热力学第一定律中的热力学微分关系可将(2)式简化［11］为:

式中:cp表示工质定压比热，kJ/(kg·℃);v表示工质比容，m3/kg。

对于任意质量流量为G 的工质来说，微元㶲流量为

取静叶流道内的轴向微元dx 中的出口面积微元变量dA 为研究对象，对于以压力场为主势场的㶲传递过程可知:

式中:Kep表示㶲传递系数，W/(m2·Pa);ΔP表示压力差，Pa。

2 水蒸气在汽轮机静叶部分流动的㶲传递计算

工质在汽轮机内的流动过程是一种典型的不可逆过程，通过流道面积的缩放实现工质压能、热能、与动能之间的能量转化。实际上，蒸汽在级的叶栅通道中的流动是一种粘性可压流体在弯曲通道内的三元不稳定流动，流动情况非常复杂，为突出主要矛盾，揭示工质压㶲传递特性规律，现做如下假设:

(1)流动为一元稳定流动，即在所考虑时间内通过静叶任一截面的流量和蒸汽参数均不随时间变化，汽流参数只沿流动方向变化。

(2)流动是绝热的，即工质在静叶内流动的过程中与外界无热量交换。

(3)由于静叶内的水蒸气为过热蒸汽，可近似为理想气体。

(4)忽略静叶内的隔板漏汽量，即水蒸气流量保持不变。

忽略与外界的热量交换，又根据理想气体状态方程，单位㶲的微分形式可简化为:

式中:R 为气体常数，对于蒸汽取值为461．5 J/(kg·K)。

水蒸气在静叶部分的流动是一个多变过程，此时考虑水蒸气粘性耗散因素而进行的修正系数体现在多变指数上，其多变指数n 可由热力学基本关系式导出:

由多变过程的热力学关系可将上式整理为:

式中:εn为喷嘴压比。

以静叶流道内任意截面A 为例，则该处的压力㶲传递系数为:

压力㶲流密度为:

3 实例计算与分析

现以国产N200-12．17/535/535 型汽轮机的某高压级为例［12］，已知数据为:级前压力p0=4．817 MPa，温度t0=398 ℃，级流量G=165．833 kg/s，级后压力p0=4．247 MPa。

3.1 数值计算

根据级的进口参数可计算出该级进口滞止参数如表1。

表1 汽轮机某级进口参数

选取速度系数φ=0．97，环境温度为25 ℃，对过热水蒸气取绝热指数Κ=1．3，则由式(7)可知多变指数n=1．277。通过级的热力计算及式(9)、(10)可求得静叶部分相关出口参数如表2。

表2 静叶出口处相关㶲参数计算结果

由喷嘴出口处压比大于临界压比可知，此级采用渐缩型喷嘴。

3.2 计算结果分析

(1)静叶流道内压力与流道截面关系变化:从级前压力至喷嘴出口压力间选取一系列压力点如图3 所示。

图3 静叶内压力随流道截面积变化曲线

由图3 可知:随着流道截面积的减小，水蒸气的压力不断降低，在初始段内压力下降比较缓慢，当截面积为14 dm2时压力的变化速度开始加快，在喷嘴出口的末期达到最大，本文为级内静叶部分的简化模型，忽略了实际喷嘴中的斜切部分。

(2)静叶流道内汽流速度与流道截面积关系变化:由喷嘴入口处至出口间选取一系列轴向截面积可得速度-截面积变化曲线如图4 所示。

图4 汽流速度随流道截面积变化曲线图

(4)压㶲流密度与流道截面变化:由喷嘴入口处至出口间选取一系列轴向截面积可得压㶲流密度-截面积变化曲线如图6 所示。

由图4 可知:汽流进入喷嘴的初始阶段，速度并非连续增加，有一小部分的降低趋势，这是由于初始阶段压力下降幅度较小不足以弥补由于工质本身的粘性及工质与管壁间的摩擦等因素引起的能量耗散，需要降低一部分动能而使得速度值在初始阶段有所下降。随着静叶流道的进一步扩展，压力降低速度的加快，汽流速度开始增大，速度的变化也越来越快，在喷嘴的出口处速度达最大值235．05 m/s，与图3 的压力变化趋势相吻合。

(3)静叶部分压㶲传递系数与流道截面变化:由喷嘴入口处至出口间选取一系列轴向截面积可得压㶲传递系数- 截面积变化曲线如图5所示。

由图5 可知:压㶲传递系数随流道截面的减小而增大，且增大的速度越来越大，与压力随截面的变化趋势相吻合，同时也体现在汽流速度初期增加幅度较小方面，㶲传递系数与㶲传递过程中的主势场梯度成正比。压㶲传递系数的不断增大也体现在图4 所示的汽流速度变化上，即可用能的增大转变为速度的不断增加，压力、速度、㶲传递系数随流道截面积变化趋势呈一致，主势场-压力势场决定了三者的变化走向。