崔立達(dá)

摘要：本文介紹了一種特殊的計(jì)算方法，當(dāng)蒸汽狀態(tài)從平衡到非平衡，很小的水滴是自發(fā)產(chǎn)生的，這種現(xiàn)象稱為成核。在沒(méi)有外部顆粒的情況下，隨著流動(dòng)的不斷膨脹，蒸汽的平衡狀態(tài)發(fā)生變化，成為非平衡蒸汽，這種蒸汽稱為過(guò)冷。兩種模型的計(jì)算冷凝損失，多分散模型中的侵蝕速率小于單分散模型，因?yàn)槎喾稚⒛Ｐ偷囊旱纹骄霃叫∮趩畏稚⒛Ｐ汀?/p>

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.

關(guān)鍵詞：汽輪機(jī);成核;過(guò)冷

Key words： steam turbine;nucleation;supercooling

0 ?引言

今天，凝結(jié)現(xiàn)象發(fā)生在許多工業(yè)設(shè)備，如超音速噴嘴、熱壓縮器、汽輪機(jī)葉片、噴射器和冷凝器。在低壓汽輪機(jī)末段膨脹過(guò)程中，過(guò)熱蒸汽通過(guò)飽和線進(jìn)入兩相流動(dòng)區(qū)和大量細(xì)滴液體形成。渦輪葉片內(nèi)液相的存在造成熱力學(xué)損失、氣動(dòng)損失、葉片侵蝕、侵蝕破壞和熱效率降低。另一方面，濕度的增加降低了濕汽輪機(jī)的效率。

最近，已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究，提供信息和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證，以更好地理解蒸汽冷凝流動(dòng)。測(cè)量了渦輪葉片在壓力和吸力側(cè)的壓力分布。為了模擬濕蒸汽流動(dòng)，采用各種數(shù)值模型來(lái)求解濕蒸汽流動(dòng)。將單流體模型與雙流體模型進(jìn)行了比較。還采用矩量法計(jì)算了兩種液滴半徑。通過(guò)考慮非平衡冷凝的影響，研究了熱壓縮器和噴射器中的流動(dòng)行為。研究了進(jìn)口濕度對(duì)汽輪機(jī)和壓縮機(jī)葉片濕蒸汽流量的影響。

研究人員有興趣將工程系統(tǒng)中傳熱和粘性剪切應(yīng)力的不可逆性降低到最小狀態(tài)，以達(dá)到更好的性能。熵的產(chǎn)生需要被認(rèn)為是衡量工程系統(tǒng)設(shè)計(jì)中不可逆轉(zhuǎn)性的標(biāo)準(zhǔn)。很明顯的減少熱力學(xué)損失。

在汽輪機(jī)流動(dòng)中，凝結(jié)現(xiàn)象引起復(fù)雜的液滴光譜可以跨越兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上的大小。液滴尺寸的分布是解決和最小化渦輪機(jī)蒸汽中濕蒸汽效應(yīng)的基本信息。濕蒸汽的影響是能量損失、葉片侵蝕和由于相變區(qū)的腐蝕效應(yīng)而導(dǎo)致的葉片失效，從而導(dǎo)致渦輪增壓減少效率和可靠性。

在這些條件下，由于液滴的成核和凝結(jié)，蒸汽可以接近平衡狀態(tài)，并提供了兩相流動(dòng)。研究表明，當(dāng)然刀片會(huì)有更多的損壞?？梢哉f(shuō)，這些葉片中超過(guò)50%的失能取決于腐蝕、應(yīng)力腐蝕和疲勞腐蝕等機(jī)制。低壓葉片會(huì)由于與水滴的碰撞而產(chǎn)生侵蝕。侵蝕在葉片表面提供了一些孔，這些孔是葉片斷裂的原因。很明顯，在相同的濕度條件下，較小的液滴提供較少的機(jī)械損傷。在實(shí)際濕蒸汽流中，葉片中產(chǎn)生了較寬的液滴半徑譜和侵蝕譜。速率取決于液滴大小和液體質(zhì)量分?jǐn)?shù)。在大多數(shù)研究中，假設(shè)在每個(gè)控制體積的末端平均液滴半徑是為了簡(jiǎn)單。

冷凝相變中不可逆的內(nèi)部傳熱產(chǎn)生熵，這是熱力學(xué)損失的原因。此外，釋放產(chǎn)生的潛熱，液滴的快速生長(zhǎng)增加了溫度和流動(dòng)壓力，而非等熵和不縮合膨脹流入。壓力的增加被稱為冷凝沖擊，這降低了流出率，造成了氣動(dòng)損失。1%的濕度的存在可以降低1%的效率。為了對(duì)冷凝現(xiàn)象進(jìn)行數(shù)值研究，在渦輪葉片和噴射器噴嘴許多類型的研究中采用了單分散方法。在這種方法中，報(bào)告了每個(gè)位置的液滴大小的值。

有兩種方法對(duì)液滴進(jìn)行多分散建模，以獲得液滴的尺寸分布。在第一種方法中，在成核區(qū)產(chǎn)生的液滴被分成一些基團(tuán)和組，每組分別求解濕度方程、液滴數(shù)、液滴生長(zhǎng)方程和液體溫度方程，演示了這種多分散模型的方法。

真空噴射器是兩級(jí)壓縮機(jī)，無(wú)運(yùn)動(dòng)部件。第一階段（聲波升壓）和第二階段（速度升壓）的能量都來(lái)自動(dòng)機(jī)的動(dòng)能蒸汽。蒸汽從蒸汽噴嘴排出越快，擴(kuò)散器中的壓縮比越大。動(dòng)力蒸汽的動(dòng)能是通過(guò)將焓（顯熱和潛熱）加上蒸汽壓力轉(zhuǎn)化為速度來(lái)得到的。而動(dòng)力蒸汽中的水分在上游蒸汽噴嘴從噴射器中提取熱量，從而從噴射器中提取動(dòng)能，蒸汽噴嘴下游的水分反映了熱量與速度的有效轉(zhuǎn)換（等熵膨脹），即焓向速度的轉(zhuǎn)換。同樣的原理也適用于汽輪機(jī)，其中動(dòng)力蒸汽速度旋轉(zhuǎn)渦輪輪而不是蒸汽壓力。聲波升壓的損失突然降低了整個(gè)射流系統(tǒng)的蒸汽負(fù)荷。由于下游冷凝器卸載，射流排放壓力降低。但是，這推動(dòng)了在上游真空系統(tǒng)中備份的氣體，氣體流量的突然增加。在這種方法中，在每個(gè)控制體積下從成核區(qū)產(chǎn)生的液滴被收集在一組中，該組生長(zhǎng)到渦輪葉片的末端，沒(méi)有質(zhì)量平均來(lái)平衡生長(zhǎng)的液滴半徑與由成核現(xiàn)象產(chǎn)生的液滴。根據(jù)成核區(qū)中假定的控制體積的數(shù)目來(lái)創(chuàng)建基團(tuán)。這種方法從未用于任何研究。在二維和三維模型中使用該模型是非常困難的，它有很多計(jì)算成本。

當(dāng)濕蒸汽在渦輪葉片上流動(dòng)時(shí)，葉片收斂部分的截面、壓力和溫度降低，而馬赫數(shù)上升，使流動(dòng)具有聲波性。在此之后，盡管馬赫數(shù)和流動(dòng)截面增加，壓力和溫度繼續(xù)下降。在沒(méi)有外部顆粒的情況下，隨著流動(dòng)的不斷膨脹，蒸汽的平衡狀態(tài)發(fā)生變化，成為非平衡蒸汽，這種蒸汽稱為過(guò)冷。當(dāng)蒸汽狀態(tài)從平衡到非平衡，很小的水滴是自發(fā)產(chǎn)生的，這種現(xiàn)象稱為成核。水滴是由自發(fā)產(chǎn)生的，蒸汽凝結(jié)所需的表面被制備出來(lái)，凝結(jié)發(fā)生。通過(guò)冷凝蒸汽，釋放潛熱，他的熱量被轉(zhuǎn)移到流動(dòng)中，發(fā)生了冷凝沖擊?；谌鹄鲃?dòng)特性，當(dāng)熱量被轉(zhuǎn)移到超音速流動(dòng)時(shí)，它增加了壓力，降低了馬赫數(shù)。吸入側(cè)X/Xc=0.73處的壓力增加是由于喉部發(fā)生冷凝沖擊所致。吸入側(cè)X/Xc=0.81處的壓力增加是由于空氣動(dòng)力引起的動(dòng)態(tài)沖擊。在多分散模型中，與多分散模型相比，吸力側(cè)的單分散模型冷凝沖擊發(fā)生的時(shí)間略有延遲。比較了多分散模型和單分散模型的液滴平均半徑和葉片的實(shí)驗(yàn)半徑。在光傳輸理論中實(shí)驗(yàn)測(cè)量液滴半徑的假設(shè)之一，已經(jīng)概述，所有液滴都具有均勻的尺寸。但結(jié)果檢查認(rèn)為所考慮的假設(shè)是不正確的。因此，在實(shí)驗(yàn)測(cè)量中使用了平均半徑，在多分散模型中，每組液滴半徑都有一個(gè)值。因此，所有群體的平均值都是必需的為了與單分散模型進(jìn)行比較。葉片中心線及其末端的實(shí)驗(yàn)半徑為5.7×10-8米，多分散模型在該位置的液滴平均半徑為6.62×10-8米，單分散模型的為9.44×10-8米。

對(duì)于多分散模型，該葉片相對(duì)于實(shí)驗(yàn)半徑的誤差值為16%，對(duì)于單分散模型，為65%。多分散液滴的平均半徑與單分散模型相比會(huì)小一點(diǎn)，其值更接近實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，與單分散模型相比，其結(jié)果提高到49。

1 ?多分散和單分散模型的比較

將多分散模型中的成核率、有核液滴和液體質(zhì)量分?jǐn)?shù)與葉片中心線的單分散模型進(jìn)行比較最大成核速率。多分散模型的葉片中心線為1.36×1022，單分散模型的葉片中心線為4.89×1021，單位為1kg.s，最大成核速率值為2.78倍。一種單分散模型、多分散模型的中線和葉片末端液滴數(shù)為6.3×1016，單分散模型的液滴數(shù)為2.16×1016，單位為（1kg）和DR在多分散模型中產(chǎn)生的比單分散模型大2.91倍。

在多分散模型中，成核率和有核液滴大于單分散模型，且多分散模型中的成核區(qū)范圍略大于單分散模型成核區(qū)的范圍。在最大成核速率下，發(fā)生冷凝沖擊。在多分散模型中，最大成核速率略高于單分散模型，表明多分散模型中的冷凝沖擊發(fā)生率較小。多分散模型中的液體質(zhì)量分?jǐn)?shù)值首先小于單分散模型，兩種模型的液體質(zhì)量分?jǐn)?shù)幾乎相等。演示了多分散和單分散模型的成核率、液滴數(shù)和平均半徑液滴的輪廓。多分散模型中的成核率和液滴數(shù)大于單分散模型，多分散模型中液滴半徑的平均值較小單分散模型。給出了多分散模型與葉片末端單分散模型的凝結(jié)損失和侵蝕速率的比較。兩種模型的計(jì)算冷凝損失，多分散模型中的侵蝕速率小于單分散模型，因?yàn)槎喾稚⒛Ｐ偷囊旱纹骄霃叫∮趩畏稚⒛Ｐ汀?/p>

2 ?研究具有臨界半徑的液滴比和成核率

表示葉片中心線成核區(qū)的成核速率、臨界半徑、過(guò)冷度和過(guò)飽和度比。核內(nèi)有核液滴的半徑區(qū)域等于臨界半徑。成核區(qū)葉片中心線有核液滴的臨界半徑范圍為6.57E-10m至1.2E-9m。有核液滴在每個(gè)位置具有不同的過(guò)飽和比值和過(guò)冷度。成核率、過(guò)冷度和過(guò)飽和度比值的最大值與臨界半徑的最小值匹配。在單分散模型中，用有核液滴半徑和DR的質(zhì)量平均計(jì)算成核區(qū)的半徑。在每個(gè)位置報(bào)告半徑的值，在完整的多分散方法中，假設(shè)成核區(qū)中每個(gè)控制體積中的有核液滴開(kāi)始生長(zhǎng)不做質(zhì)量平均操作，每個(gè)控制體積產(chǎn)生液滴組。

3 ?多分散模型中的成核區(qū)和分液滴的特殊方法

考慮到在完整的多分散模型中計(jì)算量大，本文介紹了一種特殊的計(jì)算方法。在本文提出的多分散模型中，有20個(gè)液滴基團(tuán)。在渦輪葉片中使用較少的計(jì)算。首先，成核區(qū)根據(jù)成核區(qū)的高度和每個(gè)區(qū)域產(chǎn)生的液滴在地理上分為20個(gè)部分放置在每組中。10為單分散模型演示了該區(qū)域的高度。根據(jù)高度表示成核區(qū)的分割。表中表示了各組中產(chǎn)生的最大成核速率。第1組有最小的成核率，第10組的成核率最大。從第1組到第10組，每組中的最大成核速率增加，從第10組到第20組，這個(gè)值減少無(wú)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，將速率放置在第五組和第十組中。

4 ?渦輪葉片中的多分散模型

當(dāng)濕蒸汽在葉片中流動(dòng)時(shí)，葉片收斂部分的截面、壓力和溫度降低，馬赫數(shù)增加，使喉部的流動(dòng)具有聲波性。流動(dòng)聲波后，壓力和溫度降低，流動(dòng)的馬赫數(shù)和截面增加，過(guò)冷度指定TH的偏差平衡態(tài)的蒸汽增加。通過(guò)增加過(guò)冷值，產(chǎn)生液滴，但由于液滴不多，對(duì)流動(dòng)的影響很小。通過(guò)增加液滴的數(shù)量，更多的潛熱被轉(zhuǎn)移到蒸汽中。當(dāng)過(guò)冷度最大化時(shí)，更多的潛熱被移動(dòng)到發(fā)生冷凝沖擊的地方。通過(guò)增加液滴及其生長(zhǎng)，介紹了多分散法渦輪葉片壓力比、馬赫數(shù)、溫度和液體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化輪廓。

參考文獻(xiàn)：

[1]裴天意，王浩.火力發(fā)電廠汽輪機(jī)組的節(jié)能降耗方法論述[J].設(shè)備監(jiān)理，2019（06）.

[2]馬曉赟.淺議如何提升300MW汽輪機(jī)機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性[J].山東工業(yè)技術(shù)，2017（16）.

[3]郭學(xué)良.汽輪機(jī)組推力瓦溫度高原因及處理分析[J].化工管理，2017（03）.

[4]姚勝威.火力發(fā)電廠汽輪機(jī)組節(jié)能影響因素分析及其降耗對(duì)策探討[J].自動(dòng)化應(yīng)用，2017（08）.

[5]李力.火力發(fā)電廠汽輪機(jī)能損問(wèn)題的管理方案研究[J].中國(guó)戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，2017（36）.

[6]潘劍冰.汽輪機(jī)輔機(jī)常見(jiàn)故障及檢修方法研究[J].中國(guó)設(shè)備工程，2017（20）.

[7]張良.談核電同火電汽輪機(jī)的比較分析[J].科技與企業(yè)，2014（20）.

[8]張瑞山.330MW供熱汽輪機(jī)組惰走時(shí)間異常問(wèn)題的分析及解決[J].應(yīng)用能源技術(shù)，2016（12）.

[9]孟凡垟.火力發(fā)電廠汽輪機(jī)組節(jié)能減耗措施分析[J].石化技術(shù)，2017（02）.