汽轮机涡轮叶片成核区研究

崔立达

摘要：本文介绍了一种特殊的计算方法，当蒸汽状态从平衡到非平衡，很小的水滴是自发产生的，这种现象称为成核。在没有外部颗粒的情况下，随着流动的不断膨胀，蒸汽的平衡状态发生变化，成为非平衡蒸汽，这种蒸汽称为过冷。两种模型的计算冷凝损失，多分散模型中的侵蚀速率小于单分散模型，因为多分散模型的液滴平均半径小于单分散模型。

Abstract： This paper introduces a special calculation method， when the steam state from equilibrium to non-equilibrium， very small droplets are spontaneously produced， this phenomenon is called nucleation. In the absence of external particles， as the flow continues to expand， the equilibrium state of the steam changes and becomes non-equilibrium steam， which is called supercooling. The erosion rate of the polydisperse model is lower than that of the monodisperse model， because the average droplet radius of the polydisperse model is smaller than that of the monodisperse model.

关键词：汽轮机;成核;过冷

Key words： steam turbine;nucleation;supercooling

0  引言

今天，凝结现象发生在许多工业设备，如超音速喷嘴、热压缩器、汽轮机叶片、喷射器和冷凝器。在低压汽轮机末段膨胀过程中，过热蒸汽通过饱和线进入两相流动区和大量细滴液体形成。涡轮叶片内液相的存在造成热力学损失、气动损失、叶片侵蚀、侵蚀破坏和热效率降低。另一方面，湿度的增加降低了湿汽轮机的效率。

最近，已经进行了大量的研究，提供信息和实验数据来验证，以更好地理解蒸汽冷凝流动。测量了涡轮叶片在压力和吸力侧的压力分布。为了模拟湿蒸汽流动，采用各种数值模型来求解湿蒸汽流动。将单流体模型与双流体模型进行了比较。还采用矩量法计算了两种液滴半径。通过考虑非平衡冷凝的影响，研究了热压缩器和喷射器中的流动行为。研究了进口湿度对汽轮机和压缩机叶片湿蒸汽流量的影响。

研究人员有兴趣将工程系统中传热和粘性剪切应力的不可逆性降低到最小状态，以达到更好的性能。熵的产生需要被认为是衡量工程系统设计中不可逆转性的标准。很明显的减少热力学损失。

在汽轮机流动中，凝结现象引起复杂的液滴光谱可以跨越两个数量级以上的大小。液滴尺寸的分布是解决和最小化涡轮机蒸汽中湿蒸汽效应的基本信息。湿蒸汽的影响是能量损失、叶片侵蚀和由于相变区的腐蚀效应而导致的叶片失效，从而导致涡轮增压减少效率和可靠性。

在这些条件下，由于液滴的成核和凝结，蒸汽可以接近平衡状态，并提供了两相流动。研究表明，当然刀片会有更多的损坏。可以说，这些叶片中超过50%的失能取决于腐蚀、应力腐蚀和疲劳腐蚀等机制。低压叶片会由于与水滴的碰撞而产生侵蚀。侵蚀在叶片表面提供了一些孔，这些孔是叶片断裂的原因。很明显，在相同的湿度条件下，较小的液滴提供较少的机械损伤。在实际湿蒸汽流中，叶片中产生了较宽的液滴半径谱和侵蚀谱。速率取决于液滴大小和液体质量分数。在大多数研究中，假设在每个控制体积的末端平均液滴半径是为了简单。

冷凝相变中不可逆的内部传热产生熵，这是热力学损失的原因。此外，释放产生的潜热，液滴的快速生长增加了温度和流动压力，而非等熵和不缩合膨胀流入。压力的增加被称为冷凝冲击，这降低了流出率，造成了气动损失。1%的湿度的存在可以降低1%的效率。为了对冷凝现象进行数值研究，在涡轮叶片和喷射器喷嘴许多类型的研究中采用了单分散方法。在这种方法中，报告了每个位置的液滴大小的值。

有两种方法对液滴进行多分散建模，以获得液滴的尺寸分布。在第一种方法中，在成核区产生的液滴被分成一些基团和组，每组分别求解湿度方程、液滴数、液滴生长方程和液体温度方程，演示了这种多分散模型的方法。

真空喷射器是两级压缩机，无运动部件。第一阶段（声波升压）和第二阶段（速度升压）的能量都来自动机的动能蒸汽。蒸汽从蒸汽喷嘴排出越快，扩散器中的压缩比越大。动力蒸汽的动能是通过将焓（显热和潜热）加上蒸汽压力转化为速度来得到的。而动力蒸汽中的水分在上游蒸汽喷嘴从喷射器中提取热量，从而从喷射器中提取动能，蒸汽喷嘴下游的水分反映了热量与速度的有效转换（等熵膨胀），即焓向速度的转换。同样的原理也适用于汽轮机，其中动力蒸汽速度旋转涡轮轮而不是蒸汽压力。声波升压的损失突然降低了整个射流系统的蒸汽负荷。由于下游冷凝器卸载，射流排放压力降低。但是，这推动了在上游真空系统中备份的气体，气体流量的突然增加。在这种方法中，在每个控制体积下从成核区产生的液滴被收集在一组中，该组生长到涡轮叶片的末端，没有质量平均来平衡生长的液滴半径与由成核现象产生的液滴。根据成核区中假定的控制体积的数目来创建基团。这种方法从未用于任何研究。在二维和三维模型中使用该模型是非常困难的，它有很多计算成本。

当湿蒸汽在涡轮叶片上流动时，叶片收敛部分的截面、压力和温度降低，而马赫数上升，使流动具有声波性。在此之后，尽管马赫数和流动截面增加，压力和温度继续下降。在没有外部颗粒的情况下，随着流动的不断膨胀，蒸汽的平衡状态发生变化，成为非平衡蒸汽，这种蒸汽称为过冷。当蒸汽状态从平衡到非平衡，很小的水滴是自发产生的，这种现象称为成核。水滴是由自发产生的，蒸汽凝结所需的表面被制备出来，凝结发生。通过冷凝蒸汽，释放潜热，他的热量被转移到流动中，发生了冷凝冲击。基于瑞利流动特性，当热量被转移到超音速流动时，它增加了压力，降低了马赫数。吸入侧X/Xc=0.73处的压力增加是由于喉部发生冷凝冲击所致。吸入侧X/Xc=0.81处的压力增加是由于空气动力引起的动态冲击。在多分散模型中，与多分散模型相比，吸力侧的单分散模型冷凝冲击发生的时间略有延迟。比较了多分散模型和单分散模型的液滴平均半径和叶片的实验半径。在光传输理论中实验测量液滴半径的假设之一，已经概述，所有液滴都具有均匀的尺寸。但结果检查认为所考虑的假設是不正确的。因此，在实验测量中使用了平均半径，在多分散模型中，每组液滴半径都有一个值。因此，所有群体的平均值都是必需的为了与单分散模型进行比较。叶片中心线及其末端的实验半径为5.7×10-8米，多分散模型在该位置的液滴平均半径为6.62×10-8米，单分散模型的为9.44×10-8米。

对于多分散模型，该叶片相对于实验半径的误差值为16%，对于单分散模型，为65%。多分散液滴的平均半径与单分散模型相比会小一点，其值更接近实验数据，与单分散模型相比，其结果提高到49。

1  多分散和单分散模型的比较

将多分散模型中的成核率、有核液滴和液体质量分数与叶片中心线的单分散模型进行比较最大成核速率。多分散模型的叶片中心线为1.36×1022，单分散模型的叶片中心线为4.89×1021，单位为1kg.s，最大成核速率值為2.78倍。一种单分散模型、多分散模型的中线和叶片末端液滴数为6.3×1016，单分散模型的液滴数为2.16×1016，单位为（1kg）和DR在多分散模型中产生的比单分散模型大2.91倍。

在多分散模型中，成核率和有核液滴大于单分散模型，且多分散模型中的成核区范围略大于单分散模型成核区的范围。在最大成核速率下，发生冷凝冲击。在多分散模型中，最大成核速率略高于单分散模型，表明多分散模型中的冷凝冲击发生率较小。多分散模型中的液体质量分数值首先小于单分散模型，两种模型的液体质量分数几乎相等。演示了多分散和单分散模型的成核率、液滴数和平均半径液滴的轮廓。多分散模型中的成核率和液滴数大于单分散模型，多分散模型中液滴半径的平均值较小单分散模型。给出了多分散模型与叶片末端单分散模型的凝结损失和侵蚀速率的比较。两种模型的计算冷凝损失，多分散模型中的侵蚀速率小于单分散模型，因为多分散模型的液滴平均半径小于单分散模型。

2  研究具有临界半径的液滴比和成核率

表示叶片中心线成核区的成核速率、临界半径、过冷度和过饱和度比。核内有核液滴的半径区域等于临界半径。成核区叶片中心线有核液滴的临界半径范围为6.57E-10m至1.2E-9m。有核液滴在每个位置具有不同的过饱和比值和过冷度。成核率、过冷度和过饱和度比值的最大值与临界半径的最小值匹配。在单分散模型中，用有核液滴半径和DR的质量平均计算成核区的半径。在每个位置报告半径的值，在完整的多分散方法中，假设成核区中每个控制体积中的有核液滴开始生长不做质量平均操作，每个控制体积产生液滴组。

3  多分散模型中的成核区和分液滴的特殊方法

考虑到在完整的多分散模型中计算量大，本文介绍了一种特殊的计算方法。在本文提出的多分散模型中，有20个液滴基团。在涡轮叶片中使用较少的计算。首先，成核区根据成核区的高度和每个区域产生的液滴在地理上分为20个部分放置在每组中。10为单分散模型演示了该区域的高度。根据高度表示成核区的分割。表中表示了各组中产生的最大成核速率。第1组有最小的成核率，第10组的成核率最大。从第1组到第10组，每组中的最大成核速率增加，从第10组到第20组，这个值减少无花果。11代表核心利用在多分散模型中分割液滴的特殊方法，将速率放置在第五组和第十组中。

4  涡轮叶片中的多分散模型

当湿蒸汽在叶片中流动时，叶片收敛部分的截面、压力和温度降低，马赫数增加，使喉部的流动具有声波性。流动声波后，压力和温度降低，流动的马赫数和截面增加，过冷度指定TH的偏差平衡态的蒸汽增加。通过增加过冷值，产生液滴，但由于液滴不多，对流动的影响很小。通过增加液滴的数量，更多的潜热被转移到蒸汽中。当过冷度最大化时，更多的潜热被移动到发生冷凝冲击的地方。通过增加液滴及其生长，介绍了多分散法涡轮叶片压力比、马赫数、温度和液体质量分数的变化轮廓。

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