1.本发明涉及汽轮机领域。
背景技术：2.在汽轮机运行过程中，湿蒸汽级内的一次水滴严重影响汽轮机的效率和安全。一次水滴的形成过程较为复杂，流经汽轮机的湿蒸汽级内的蒸汽发生膨胀至wilson点后，进而凝结成核后偏离原始的平衡态而产生湿蒸汽凝结现象。此时有微小液滴形成，这些小水滴进而在蒸汽的流动作用下，直径和数目开始增长，称为一次水滴。一次水滴的直径较小，通常在0-1μm之间。大部分一次水滴会随着蒸汽一起运动，小部分会由于沉积作用沉积在汽轮机叶片表面。当沉积在叶片表面的水滴累积到一定数量后，会形成水膜附着在叶片上，水膜受汽流力的作用向叶片出汽边流动，叶片出汽边的水膜被撕裂成尺寸较大的水滴，这部分水滴称为二次水滴。直径较大的二次水滴对汽轮机叶片进行撞击，汽轮机叶片经过长时间的水滴撞击，会产生裂纹，甚至导致断裂，即产生汽轮机水蚀现象，进而对汽轮机组的安全性造成威胁。因此，二次水滴的产生与一次水滴有着密不可分的关系，所以对一次水滴的研究就显得尤为重要。
3.针对汽轮机低压缸湿蒸汽级内的一次水滴沉积研究，主要是通过试验方法和编程计算来进行的。对于试验方面来说，一些学者主要是利用不同形式的探针等试验仪器，布置与汽轮机运行条件接近的试验环境，对小水滴进行抓取和收集，以此来近似模拟出一次水滴在汽轮机湿蒸汽级内的运动状态。但是，用此试验方法研究一次水滴的沉积，一是成本花费较高，二是得到的仅仅是一次水滴的直径及数量；另外一些学者首先对汽轮机湿蒸汽级内的流场进行数值模拟，接着提取必要的模拟结果参数值，然后导入程序设计中进行计算，最后得出一次水滴的沉积率分布。但是上述方法不仅效率低，且存在准确率差的问题。
技术实现要素：4.本发明目的是为了解决现有汽轮机湿蒸汽级内的一次水滴沉积率及沉积位置计算准确率低，效率差的问题，提出了一种汽轮机湿蒸汽级一次水滴沉积率和沉积位置的获取方法。
5.本发明所述的汽轮机湿蒸汽级一次水滴沉积率及沉积位置的获取方法，包括：
6.步骤一、对汽轮机低压缸内六级单流道叶片进行物理建模，获取所述叶片模型，对所述叶片模型进行网格划分，获得叶片网格图；
7.步骤二、对叶片网格图进行离散，对汽轮机低压缸内六级单流道叶片流场进行求解，获取汽轮机低压缸内六级单流道叶片次末级静叶进口处一次水滴的直径、蒸汽湿度、质量流量和温度；
8.步骤三、根据拖曳速度和滑移速度的关系式，利用所述水滴的直径、蒸汽湿度、质量流量和温度，求解汽轮机低压缸末两级叶片内一次水滴的滑移速度；
9.步骤四、利用汽轮机低压缸末两级叶片内一次水滴的滑移速度，获取一次水滴沉
积云图；
10.步骤五、根据所述一次水滴沉积云图，获取一次水滴的沉积位置及沉积面积，并根据一次水滴的沉积面积计算一次水滴的沉积率。
11.进一步地，本发明中，步骤一中，对所述叶片模型进行网格划分，获得叶片网格图采用openfoam软件实现。
12.进一步地，本发明中，步骤一中，获取汽轮机低压缸内六级单流道叶片次末级静叶进口处一次水滴的直径、蒸汽湿度、质量流量和温度的方法为：
13.采用openfoam软件对汽轮机低压缸内六级单流道叶片流场进行求解计算，直至气液混合相平均能量的收敛阈值稳定在能量阈值以下时，获取所述一次水滴的直径、蒸汽湿度、质量流量和温度。
14.进一步地，本发明中，步骤三中，求解汽轮机低压缸末两级叶片内一次水滴的滑移速度的具体方法为，采用openfoam软件，对拖曳速度和滑移速度的关系式进行求解，获取汽轮机低压缸末两级叶片内一次水滴的滑移速度。
15.进一步地，本发明中，步骤四中，获取一次水滴沉积云图的方法为：利用paraview软件对汽轮机低压缸末两级叶片内一次水滴的滑移速度结果进行分析，获得一次水滴沉积云图。
16.进一步地，本发明中，步骤三中，拖曳速度和滑移速度的关系方程的获取方法为：
17.步骤三一、建立混合物的连续性方程和动量方程，获取水滴相的体积分数方程；
18.步骤三二、定义滑移速度u
gl
和第k相的体积分数，利用水滴相的体积分数方程推导拖曳速度和滑移速度的关系式。
19.进一步地，本发明中，步骤三一中，建立相位连续性方程，获取体积连续方程的具体过程：
20.相位连续性方程为：
[0021][0022]
其中，表示t时间的压力梯度；为梯度算子；m表示混合相；
[0023]
ρm为混合密度，
[0024]
αk为第k相的体积分数；ρk为第k相的密度；k表示相数；
[0025]
um为混合质量速度，
[0026]
uk为第k相的速度；n表示第n相；
[0027]
混合物的动量方程为：
[0028][0029]
其中，τ为粘性应力；p为压力；g为重力常数；t表示紊动；f表示体积力；τm为混合粘性应力；τ
tm
为紊动状态下的混合粘性应力；τ
fm
为带有体积力的混合粘性应力；u
d,k
为第k相的拖曳速度；
[0030]ud,k
＝u
k-um[0031]
由混合物的动量方程，推导出水滴相的体积分数方程：
[0032][0033]
其中，α
l
为水滴相的体积分数；ρ
l
为水滴相的密度；u
d,l
水滴相的拖曳速度。
[0034]
进一步地，本发明中，步骤三二中，利用水滴相的体积分数方程推导拖曳速度和滑移速度的关系式的过程为：
[0035]
定义滑移速度u
gl
和第k相的体积分数，由此推导拖曳速度和滑移速度的关系；
[0036]
定义相间相对滑移速度u
gl
为水滴相l对于气相g的速度：
[0037]ugl
＝u
l-ug[0038]
其中，u
gl
表示水滴相与气相的相对滑移速度；u
l
是水滴的速度；ug是蒸气的速度；
[0039]
第k相的质量分数为ck：
[0040][0041]
拖曳速度与滑移速度关系式：
[0042][0043]ulk
为水滴l的滑移速度，即为汽轮机低压缸末两级叶片内一次水滴的滑移速度。本发明所述汽轮机湿蒸汽级内一次水滴沉积率和沉积位置的获取方法，该方法通过对汽轮机末两级内一次水滴的滑移速度进行计算，通过滑移速度的大小，在paraview软件中反应出水滴沉积在汽轮机叶片表面的关系，能够准确、快速的得到水滴在汽轮机叶片表面的沉积率和沉积位置。结果对减少二次水滴的形成提供参考依据，进而有效避免汽轮机末级水蚀现象的发生。
附图说明
[0044]
图1是本发明所述方法流程图；
[0045]
图2是汽轮机低压缸六级叶片单流道示意图；
[0046]
图3是叶片网格图；
[0047]
图4是一次水滴在汽轮机低压缸末两级叶片压力面的沉积图；
[0048]
图5是一次水滴在汽轮机低压缸末两级叶片吸力面的沉积图。
具体实施方式
[0049]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0050]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0051]
具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述汽轮机湿蒸汽级
一次水滴沉积率及沉积位置的获取方法，包括：
[0052]
步骤一、对汽轮机低压缸内六级单流道叶片进行物理建模，获取所述叶片模型，对所述叶片模型进行网格划分，获得叶片网格图；
[0053]
步骤二、对叶片网格图进行离散，对汽轮机低压缸内六级单流道叶片流场进行求解，获取汽轮机低压缸内六级单流道叶片次末级静叶进口处一次水滴的直径、蒸汽湿度、质量流量和温度；
[0054]
步骤三、根据拖曳速度和滑移速度的关系式，利用所述水滴的直径、蒸汽湿度、质量流量和温度，求解汽轮机低压缸末两级叶片内一次水滴的滑移速度；
[0055]
步骤四、利用汽轮机低压缸末两级叶片内一次水滴的滑移速度，获取一次水滴沉积云图；
[0056]
步骤五、根据所述一次水滴沉积云图，获取一次水滴的沉积位置及沉积面积，并根据一次水滴的沉积面积计算一次水滴的沉积率。
[0057]
进一步地，本实施方式中，步骤一中，对所述叶片模型进行网格划分，获得叶片网格图采用openfoam软件实现。
[0058]
进一步地，本实施方式中，步骤一中，获取汽轮机低压缸内六级单流道叶片次末级静叶进口处一次水滴的直径、蒸汽湿度、质量流量和温度的方法为：
[0059]
采用openfoam软件对汽轮机低压缸内六级单流道叶片流场进行求解计算，直至气液混合相平均能量的收敛阈值稳定在能量阈值以下时，获取所述一次水滴的直径、蒸汽湿度、质量流量和温度。本实施方式中，收敛阈值稳定在10-5
以下。
[0060]
进一步地，本实施方式中，步骤三中，求解汽轮机低压缸末两级叶片内一次水滴的滑移速度的具体方法为：采用openfoam软件，对拖曳速度和滑移速度的关系式进行求解，获取汽轮机低压缸末两级叶片内一次水滴的滑移速度。
[0061]
进一步地，本实施方式中，步骤四中，获取一次水滴沉积云图的方法为：利用paraview 软件对汽轮机低压缸末两级叶片内一次水滴的滑移速度结果进行分析，获得一次水滴沉积云图。
[0062]
进一步地，本实施方式中，步骤三中，拖曳速度和滑移速度的关系方程的获取方法为：
[0063]
步骤三一、建立混合物的连续性方程和动量方程，获取水滴相的体积分数方程；
[0064]
步骤三二、定义滑移速度u
gl
和第k相的体积分数，利用水滴相的体积分数方程推导拖曳速度和滑移速度的关系式。
[0065]
一次水滴的沉积速率是由一次水滴的滑移速度确定。把汽轮机的叶片假定为壁面，水滴与蒸汽在汽轮机通道内混合流动的过程中，当滑移速度增大到一定程度时，液相的湍流作用足够大，可以使颗粒悬浮在蒸汽中。而当滑移速度非常小时，湍流作用难以阻止一次水滴的向下运动。因此，混合相中的水滴由于较小的滑移速度，以及本身受到重力的作用，接触到壁面(即汽轮机叶片)后，会沉积其表面，随着大量以此水滴的不断沉积，以此可以得到一次水滴在汽轮机叶片表面的沉积率和沉积位置。
[0066]
进一步地，本实施方式中，步骤三一中，建立相位连续性方程，获取体积连续方程的具体过程：
[0067]
相位连续性方程为：
[0068][0069]
其中，表示t时间的压力梯度；为梯度算子；m表示混合相；
[0070]
ρm为混合密度，
[0071]
αk为第k相的体积分数；ρk为第k相的密度；k表示相数；
[0072]
um为混合质量速度，
[0073]
uk为第k相的速度；n表示第n相；
[0074]
混合物的动量方程为：
[0075][0076]
其中，τ为粘性应力；p为压力；g为重力常数；t表示紊动；f表示体积力；τm为混合粘性应力；τ
tm
为紊动状态下的混合粘性应力；τ
fm
为带有体积力的混合粘性应力；u
d,k
为第k相的拖曳速度；
[0077]ud,k
＝u
k-um[0078]
由混合物的动量方程，推导出水滴相的体积分数方程：
[0079][0080]
其中，α
l
为水滴相的体积分数；ρ
l
为水滴相的密度；u
d,l
水滴相的拖曳速度。
[0081]
进一步地，本发明中，步骤三二中，利用水滴相的体积分数方程推导拖曳速度和滑移速度的关系式的过程为：
[0082]
定义滑移速度u
gl
和第k相的体积分数，由此推导拖曳速度和滑移速度的关系；
[0083]
定义相间相对滑移速度u
gl
为水滴相l对于气相g的速度：
[0084]ugl
＝u
l-ug[0085]
其中，u
gl
表示水滴相与气相的相对滑移速度；ul是水滴的速度；ug是蒸气的速度；
[0086]
第k相的质量分数为ck：
[0087][0088]
拖曳速度与滑移速度关系式：
[0089][0090]ulk
为水滴l的滑移速度，即为汽轮机低压缸末两级叶片内一次水滴的滑移速度。
[0091]
实施例：
[0092]
本发明以某600mw汽轮机末两级单流道叶片为例，对汽轮机低压缸末两级单流道叶片内一次水滴沉积率及位置的获取方法进行说明。
[0093]
首先，对汽轮机低压缸内六级单流道叶片进行物理建模，汽轮机低压缸内六级单流道叶片模型示意图如图2所示。然后，在开源软件openfoam中进行网格划分，划分后的叶
片网格示意图如图3所示，最后在openfoam中对汽轮机低压缸内六级单流道叶片流场进行求解计算。当气液混合相平均能量的收敛阈值稳定在10-5
以下时，计算结束，自动生成计算结果。获得次末级静叶进口处一次水滴的直径和蒸汽湿度、质量流量、温度。得到的结果如表1所示。
[0094]
表1 计算结果
[0095][0096]
然后以该600mw汽轮机低压缸末两级叶片为研究对象，图2为汽轮机低压缸末两级叶片的物理模型，图3为末两级叶片网格图。这些都是在开源软件openfoam中进行的。将步骤一得到的次末级静叶进口处一次水滴的直径和蒸汽湿度、质量流量、温度等参数。以及通过电厂热力特性说明书获得的汽轮机排汽压力值，作为步骤二求解计算的边界条件。在步骤二中，进行软件求解计算前，以上面参数值设置为边界条件，然后，把代数滑移模型方程组编程导入开源软件openfoam中，开始进行求解计算，当能量的收敛阈值稳定在 10-5
以下时，计算停止，生成结果文件。
[0097]
再将结果文件导入流体仿真后处理开源软件paraview中，分别得到一次水滴在汽轮机低压缸末两级叶片压力面和吸力面的沉积云图，如图4和5表示。
[0098]
从图4和5可以看出，数值最大的部位说明此位置沉积程度最严重。沉积最严重的部位发生在汽轮机动叶部分，最大值为4
×
10-4
kg/(m2·
s)；汽轮机静叶的吸力面几乎没有沉积，沉积率最小，为0kg/(m2·
s)。同时可以看出，压力面的沉积严重程度高于吸力面，且静叶尾缘处的沉积情况最为严重。这是因为由凝结成核而形成的一次水滴虽然体积较小，大部分能很好地随蒸汽流动，但是还是有很小一部分的水滴会沉积在静叶处，随着蒸汽的流动作用以及沉积的积累，这些小水滴会慢慢向静叶处移动，在静叶尾缘形成水膜或者溪流。因此，一次水滴沉积严重部位是二次水滴形成的主要来源。
[0099]
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。
技术特征：1.汽轮机湿蒸汽级一次水滴沉积率及沉积位置的获取方法，其特征在于，它包括：步骤一、对汽轮机低压缸内六级单流道叶片进行物理建模，获取所述叶片模型，对所述叶片模型进行网格划分，获得叶片网格图；步骤二、对叶片网格图进行离散，对汽轮机低压缸内六级单流道叶片流场进行求解，获取汽轮机低压缸内六级单流道叶片次末级静叶进口处一次水滴的直径、蒸汽湿度、质量流量和温度；步骤三、根据拖曳速度和滑移速度的关系式，利用所述水滴的直径、蒸汽湿度、质量流量和温度，求解汽轮机低压缸末两级叶片内一次水滴的滑移速度；步骤四、利用汽轮机低压缸末两级叶片内一次水滴的滑移速度，获取一次水滴沉积云图；步骤五、根据所述一次水滴沉积云图，获取一次水滴的沉积位置及沉积面积，并根据一次水滴的沉积面积计算一次水滴的沉积率。2.根据权利要求1所述的汽轮机湿蒸汽级一次水滴沉积率及沉积位置的获取方法，其特征在于，步骤一中，对所述叶片模型进行网格划分，获得叶片网格图采用openfoam软件实现。3.根据权利要求1所述的汽轮机湿蒸汽级一次水滴沉积率及沉积位置的获取方法，其特征在于，步骤一中，获取汽轮机低压缸内六级单流道叶片次末级静叶进口处一次水滴的直径、蒸汽湿度、质量流量和温度的方法为：采用openfoam软件对汽轮机低压缸内六级单流道叶片流场进行求解计算，直至气液混合相平均能量的收敛阈值稳定在能量阈值以下时，获取所述一次水滴的直径、蒸汽湿度、质量流量和温度。4.根据权利要求1所述的汽轮机湿蒸汽级一次水滴沉积率及沉积位置的获取方法，其特征在于，步骤三中，求解汽轮机低压缸末两级叶片内一次水滴的滑移速度的具体方法为：采用openfoam软件，对拖曳速度和滑移速度的关系式进行求解，获取汽轮机低压缸末两级叶片内一次水滴的滑移速度。5.根据权利要求4所述的汽轮机湿蒸汽级一次水滴沉积率及沉积位置的获取方法，其特征在于，步骤四中，获取一次水滴沉积云图的方法为：利用paraview软件对汽轮机低压缸末两级叶片内一次水滴的滑移速度进行分析，获得一次水滴沉积云图。6.根据权利要求1所述的汽轮机湿蒸汽级一次水滴沉积率及沉积位置的获取方法，其特征在于，步骤三中，曳速度和滑移速度的关系方程的获取方法为：步骤三一、建立混合物的连续性方程和动量方程，获取水滴相的体积分数方程；步骤三二、定义滑移速度u
gl
和第k相的体积分数，利用水滴相的体积分数方程推导拖曳速度和滑移速度的关系式。7.根据权利要求6所述的汽轮机湿蒸汽级一次水滴沉积率及沉积位置的获取方法，其特征在于，步骤三一中，建立相位连续性方程，获取体积连续方程的具体过程：相位连续性方程为：
其中，表示t时间的压力梯度；为梯度算子；m表示混合相，ρ
m
为混合密度，α
k
为第k相的体积分数；ρ
k
为第k相的密度；k表示相数；u
m
为混合质量速度，u
k
为第k相的速度；n表示第n相；混合物的动量方程为：其中，τ为粘性应力；p为压力；g为重力常数；t表示紊动；f表示体积力；τ
m
为混合粘性应力；τ
tm
为紊动状态下的混合粘性应力；τ
fm
为带有体积力的混合粘性应力；u
d,k
为第k相的拖曳速度；u
d,k
＝u
k-u
m
由混合物的动量方程，推导出水滴相的体积分数方程：其中，α
l
为水滴相的体积分数；ρ
l
为水滴相的密度；u
d,l
水滴相的拖曳速度。8.根据权利要求7所述的汽轮机湿蒸汽级一次水滴沉积率及沉积位置的获取方法，其特征在于，步骤三二中，利用水滴相的体积分数方程推导拖曳速度和滑移速度的关系式的过程为：定义滑移速度u
gl
和第k相的体积分数，由此推导拖曳速度和滑移速度的关系；定义相间相对滑移速度u
gl
为水滴相l对于气相g的速度：u
gl
＝u
l-u
g
其中，u
gl
表示水滴相与气相的相对滑移速度；u
l
是水滴的速度；u
g
是蒸气的速度；第k相的质量分数为c
k
：拖曳速度与滑移速度关系式：u
lk
为水滴l的滑移速度，即为汽轮机低压缸末两级叶片内一次水滴的滑移速度。
技术总结汽轮机湿蒸汽级一次水滴沉积率及沉积位置的获取方法，涉及汽轮机技术领域。解决了现有汽轮机湿蒸汽级内的一次水滴沉积率及沉积位置计算准确率低，效率差的问题。它对获取所述叶片模型，对所述叶片模型进行网格划分，获得叶片网格图，获取汽轮机低压缸内六级单流道叶片次末级静叶进口处一次水滴的直径、蒸汽湿度、质量流量和温度；根据拖曳速度和滑移速度的关系，求解汽轮机低压缸末两级叶片内一次水滴的滑移速度；利用所述滑移速度进行流体仿真，获取一次水滴沉积云图；根据所述云图获取一次水滴的沉积位置及沉积面积，并根据一次水滴的沉积面积计算一次水滴的沉积率。本发明适用于汽轮机湿蒸汽级内一次水滴沉积率及沉积位置获取。位置获取。位置获取。
技术研发人员：范双双 王颖 姚坤 刘东旭
受保护的技术使用者：哈尔滨沃华智能电力技术有限公司
技术研发日：2022.06.23
技术公布日：2022/11/1
