摘要：作为火电站和核电站的核心设备之一，汽轮机运行的经济性与安全性至关重要。然而，湿蒸汽的存在不仅会降低汽轮机的级效率，而且会引起低压级动叶片的水蚀、甚至断裂。引起动叶片水蚀的主要原因是二次水滴的撞击，而二次水滴则由一次水滴（蒸汽自发凝结产生）在叶片表面沉积、脱落形成。因此，在水滴沉积到叶片表面而未脱落之前，采用空心静叶除湿缝将其抽吸掉，可有效去除二次水滴。基于此，本文主要对1000MW机组汽轮机末级叶片除湿缝进行分析探讨。
关键词：1000MW机组；汽轮机；末级叶片；除湿缝
前言
目前，有关空心静叶除湿的实验数据大多来自小型实验台或功率较小的机组叶栅。本文以某１０００ＭＷ机组汽轮机低压末级叶栅为研究对象，利用欧拉－欧拉模型和欧拉－拉格朗日模型计算得出其内部流场分布和末级静叶表面的水滴沉积分布，分析不同缝隙位置、角度、宽度及数目等参数对除湿缝的除湿效率、二次水滴去除率和级效率的影响，确定整体性能较优的除湿缝结构。
１、数值模型验证
基于欧拉－欧拉模型坐标系，采用非平衡凝结模型（ＮＢＴＦ取０．８５）和ＳＳＴ湍流模型，选取ＩＡＰＷＳ－ＩＦ９７作为汽、液两相状态方程的标准。由于水滴尺寸较小（平均直径约０．１μｍ），不考虑两相间速度滑移。以文献的二维叶栅为例，模拟其中的Ｌ１工况，对本文所选模型进行验证，相关蒸汽参数见表１。
表１ 文献中 Ｌ１工况参数
计算得出叶片表面的蒸汽压力分布如图１所示。由图１可见，本文数值模型的计算结果与文献的实验值吻合较好，说明本文选用的数值模型能够较精确地模拟叶片表面整体的压力分布，尤其是预测非平衡凝结的起始位置及压力波动强度。因此，该数值模型适用于低压级内的蒸汽非平衡凝结流动计算。
图１ 叶片表面蒸汽压力分布
２、除湿缝结构设计
以某１０００ＭＷ机组汽轮机低压末级叶栅为例，利用非平衡凝结模型对流场进行计算，发现初始凝结发生于汽轮机次末级内。因而为获得精确的末级入口湿度分布，选取低压末两级叶栅进行计算。计算工况为机组的设计工况：次末级进口总压为０．０７４７ＭＰａ，进口总温为３６９．９３Ｋ，排汽静压为０．００５４ＭＰａ。
２．１除湿缝位置
２．１．１径向位置
当水膜从静叶表面脱落时，由于离心力的作用，越靠近叶顶的区域形成的二次水滴直径越大，数目也越多，且撞击到动叶上的相对速度也越大，因而水蚀程度越严重。因此，采用侵蚀率Ｅ计算动叶水蚀危险区域：
式中：ｙ１为静叶出口蒸汽湿度；ｐ１为静叶出口蒸汽压力，ＭＰａ；ｃ１为静叶出口蒸汽速度，ｍ／ｓ；Ｄ为动叶片中被研究区域的直径，ｃｍ；Ｎ为转速，ｒ／ｍｉｎ；ｂ为静叶沿流线的弦长，ｍｍ；δ为动叶与静叶之间的轴向间隙，ｍｍ；α１为静叶栅几何出口角，°。由式（１）计算得出末级动叶侵蚀率的径向分布见图２。由图２可见，对于Ｅ＞０．１的区域，叶片处于水蚀危险区域，需要采取相应的除湿措施。因此，除湿缝的径向位置应在相对叶高６０％以上。考虑到静叶强度问题，本文在叶顶附近设计有３０ｍｍ的裕度。
图２ 动叶侵蚀率径向分布 图３ 末级静叶表面水滴沉积轴向分布
２．１．２轴向位置
采用欧拉－拉格朗日模型计算得到水滴沉积分布如图３所示。由图３可见：在压力面侧，水滴主要沉积在叶片尾缘附近相对叶宽７０％之后；在吸力面侧，水滴集中沉积在叶片前缘相对叶宽４０％之前。因此，压力面侧的除湿缝位置越靠后，其除湿效率越高，但考虑到空心静叶的制造工艺，除湿缝与叶片尾缘间需留有一定距离。由于吸力面侧的叶型有较大转折，为防止水膜发生脱离，将吸力面上的除湿缝设计在型线转折点之前。
此外，对于压力面和吸力面上均开设有除湿缝，为避免两处压差过大而引起静叶空腔内发生串流，３条除湿缝应开设在压力相近的位置。因此，本文初步考虑将两条除湿缝分别布置在压力面相对叶宽为７７．９％和吸力面相对叶宽为２６．５％的轴向位置处（图４ａ））。对应的空心静叶截面结构如图４ｂ）所示。为研究不同轴向位置对除湿缝性能的影响，在上述工作的基础上，本文又将两条除湿缝由初始位置分别向前、向后移动５，１０ｍｍ，通过对比分析除湿效率ηｌ、二次水滴去除率ηｃ和级效率ηｓｔ，ｉ等３个评价指标，进而确定其最佳轴向位置。除湿效率ηｌ为缝隙抽吸掉的水分与流道内总水分的比值。
图４ 轴向开缝位置
考虑到开设除湿缝的主要目的是除去引起动叶水蚀的二次水滴，为更合理地评判缝隙的除湿性能，本文定义二次水滴去除率ηｃ为：
式中ｍｆｉｌｍ为除湿缝抽吸掉的静叶表面沉积的水膜量，ｍ′１为一次水滴在静叶表面的沉积量，ｍ２为静叶进口处二次水滴量。
随着除湿缝轴向位置向后移动，除湿效率与二次水滴去除率均增加，级效率近似呈下降趋势，且在＋５ｍｍ和＋１０ｍｍ之间下降较快，因此选＋５ｍｍ处为最佳轴向位置。
２．２除湿缝角度
为确定最佳的除湿缝角度θ，在最佳开缝位置处，分别计算分析了３０°，４５°，６０°，７５°和９０°共５组不同角度的设计方案，５组除湿缝角度对应的８０％叶高截面处的叶片表面压力分布，随着除湿缝角度的增大，缝隙周围的压力突变增强。说明除湿缝角度越大，缝隙周围流场受到的影响越大，即偏离设计工况的程度增大。随着除湿缝角度的增大，抽吸率降低，且下降幅度逐渐增大，其中除湿缝角度为９０°时其抽吸性能最差；级效率随着除湿缝角度的增大而升高，且除湿缝角度为３０°～４５°时级效率升高率要大于角度为４５°～７５°时。因此，除湿缝角度为４５°的方案能兼顾级效率和抽吸率，即４５°为最佳除湿缝角度。
２．３除湿缝宽度
除湿缝宽度分别为０．５，１．０，２．０，３．０，４．０ｍｍ时对应的压力面、吸力面及总缝隙的抽吸率。压力面抽吸率、吸力面抽吸率以及总抽吸率均与除湿缝宽度成正比。图９为除湿效率、二次水滴去除率和级效率随除湿缝宽度的变化。随着除湿缝宽度的增加，除湿效率随之增加，但级效率会有所减小；由于水膜摆动的影响，除湿效率会在１．０～２．０ｍｍ宽度内呈下降趋势；宽度为１．０ｍｍ的除湿缝其级效率高于宽度为２．０ｍｍ的除湿缝，而且可以抽吸掉更多二次水滴，有更好的动叶防蚀效果；当除湿缝宽度为０．５～１．０ｍｍ时，除湿效率的增长幅度高于其它区间；与宽度为３．０ｍｍ和４．０ｍｍ的除湿缝相比，虽然宽度为１．０ｍｍ除湿缝的除湿效率低，为２５％左右，但其对应的级效率却分别高２．８７％和４．１１％，而且相对于级效率的降低程度，二次水滴去除率的提升并不明显。因此，宽度为１．０ｍｍ的除湿缝最优。
３、结论
１）对于１０００ＭＷ机组汽轮机末级叶片而言，除湿缝的径向位置应设计在相对叶高６０％以上，且与叶顶间留有３０ｍｍ间隙，轴向位置设计在压力面相对叶宽８０．６％处和吸力面相对叶宽２９．２％处。
２）最佳除湿缝角度选取４５°，最佳除湿缝宽度设计为１．０ｍｍ。
３）若不考虑空心静叶的强度问题，单段除湿缝的综合性能更好；当开缝面积相同时，双缝除湿缝的各项性能均更优；当开缝宽度相同时，单缝除湿缝的综合性能更优。
参考文献：
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［2］潘家成．国产大型核电汽轮机内部除湿若干关键技术的数值研究［D］．西安交通大学．2012．
［3］曲文波. 汽轮机静叶片除湿结构对比分析，［J］．汽轮机技术，2014
论文作者:曲文波
论文发表刊物:《电力设备》2018年第31期
论文发表时间:2019/5/6
标签：水滴论文; 叶片论文; 汽轮机论文; 效率论文; 宽度论文; 位置论文; 角度论文; 《电力设备》2018年第31期论文;