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反弹系数对调节级固体颗粒冲蚀影响分析

2025-02-26 82 上传者：管理员

摘要：固体颗粒冲蚀是超超临界汽轮机面临的关键问题，限制了超超临界汽轮机的出力。基于欧拉-拉格朗日法，采用单耦合离散粒子模型模拟超超临界汽轮机调节级内气固两相流动，分析了反弹系数对调节级叶片冲蚀破坏的影响。结果显示，发生严重冲蚀的粒子尺寸范围为40μm～60μm之间。随着反弹系数的增加，叶片整体冲蚀程度并不是逐渐增强的，然而叶片局部冲蚀程度会加重，即叶片无量纲轴向位置为ld=0.66～0.78处，且粒子撞击角度变化对于固体颗粒冲蚀特性有着严重的影响。

关键词：
反弹系数
固体颗粒冲蚀区域
粒子撞击参数
调节级
超超临界汽轮机
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随着我国超超临界汽轮机的发展,蒸汽初参数不断提高,同时新能源发电装机容量占比在不断增加,超超临界机组也要求被用于承担调峰任务,管道内产生的氧化铁粒子增加,汽轮机调节级叶片冲蚀问题更加严峻[1]｡

在汽轮机实际运行中发现,由于动叶的旋转作用,其所受冲蚀较为均匀,冲蚀程度较轻,然而调节级少数喷嘴受到严重冲蚀[2],其中喷嘴压力面受到严重的固体颗粒冲蚀破坏[3,4]｡与无冲蚀叶片相比,受冲蚀叶片表面粗糙度增加,效率大大降低[5]｡粒子撞击固体壁面引起的冲蚀破坏受多重因素影响,主要为靶材料的性质和粒子性能[6,7],其中粒子尺寸､撞击角度和撞击速度对冲蚀影响较为严重[8-11]｡Eichner等人[12]发现,当叶片表面采用涂层技术进行保护后,与没有涂层叶片进行对比,其叶片的使用寿命大大增加｡硼化物涂层较热喷涂层的结构更致密,硬度更高,具有较好的抵抗冲蚀破坏的性能[13,14]｡目前关于叶片材料对固体颗粒冲蚀影响的研究主要集中在涂层技术的优化上,切入点是叶片材料表面的强度分析[15]｡然而,在叶片材料的另一侧,即反弹系数对固体颗粒冲蚀的影响很少被研究｡不同叶片材料对应不同的反弹特性,其颗粒的运动发生改变,进而影响靶材料的冲蚀｡

本文以1000MW超超临界汽轮机调节级为对象,研究了反弹系数对调节级固体颗粒冲蚀特性的影响,分析了叶片表面的冲蚀程度及冲蚀分布｡研究结果将为叶片材料的选择､涂层技术的应用提供理论参考,以实现对冲蚀的控制｡

1、数值模拟方法

1.1几何模型和网格示意图

图1所示为调节级几何模型,其中包括喷嘴及动叶片,叶片参数见表1｡选择TurboGrid软件对模型进行H-O多块结构化网格划分,网格如图2所示｡本文对以下网格数进行对比:510000､840000､1050000､1190000､1460000,最大冲蚀率密度的比较结果见表2,同时考虑计算精度及速度,最终网格数确定为1050000｡

图1几何模型

图2网格示意图

表1调节级参数

表2网格无关性验证

1.2边界条件根据1000MW汽轮机实际运行参数,设定进出口边界参数,见表1｡湍流黏度选择5%,动静交界面为冻结转子模型[2]｡湍流模型选择RNGk-ε[4]｡Ansyshelp中指出切向反弹系数几乎总是1,因此本文将法向反弹系数分别设置为e=0.1､0.3､0.5､0.7､0.9｡粒子撞击壁面示意图如图3所示,法向反弹系数定义e=up2n/up1n｡汽轮机调节级内固体颗粒通常小于150μm,并且1kg蒸汽中夹杂1×10-3mg粒子,不同粒径下粒子量占比见表3[16]｡

图3粒子撞击示意图

表3不同粒子尺寸占比

1.3冲蚀模型

采用拉格朗日法进行粒子追踪[17],粒子运动方程为[18]:

式中,A为计算网格的单元面积;N为撞击的粒子数量;mp为单个粒子的质量流量｡

本文计算在如下假设条件下进行:

(1)粒子间相互不影响;

(2)粒子为球形;

(3)粒子对流场的影响忽略｡

1.4结果验证

压力损失是衡量流体在流动过程中能量损失的关键参数｡本文蒸汽在叶栅通道中流动的能量损失表示为总压力损失系数ξp:

式中,p02,t为喷嘴进口静压;p

式中,rh为喷嘴轮毂半径;r为冲蚀位置与中心距离｡

图4所示为ξp与叶片相对高度hr的关系变化曲线｡由图4可见,与文献[20]进行对比,本文数值模拟结果中的总压力损失系数值与其相接近,因此,本文的数值模拟具有较好的准确性｡

图4总压损失系数对比

2、结果与讨论

2.1不同反弹系数对冲蚀率密度的影响

根据文献[2]可知,调节级喷嘴冲蚀程度明显严重于动叶,因此下面详细分析喷嘴的固体颗粒冲蚀特性｡

图5所示为反弹系数变化与最大冲蚀率密度的关系曲线,由图5可见,当粒子直径增大,最大冲蚀率密度先增加后减小,最大冲蚀率密度极大值发生在40μm~60μm粒径范围内｡这是因为如图6所示,随着粒径的增大,粒子撞击概率增加,这是由于小粒径粒子惯性力小,易被蒸汽携带,因此与叶片不易发生碰撞｡当dp=10μm时,粒子逃逸率约为95%,很少有粒子与壁面发生碰撞,因此在该尺寸下粒子冲蚀率密度较低｡随着粒子直径的增加,粒子惯性力增大,蒸汽对粒子的携带能力降低,颗粒偏离蒸汽轨迹,因此易与叶片发生碰撞,粒子撞击概率增加,逃逸率降低｡对于40μm~60μm粒径下粒子,其粒子撞击概率并不是最大,但总冲蚀量为各粒子冲蚀的累积,由表3可知,在40μm~60μm粒径范围内,其粒子量占比约为总量的65%,综合考虑,其严重冲蚀是由粒径在40μm~60μm之间颗粒冲蚀引起的｡

图5最大冲蚀率密度变化曲线

图6粒子尺寸与粒子逃逸率变化曲线

2.2不同反弹系数对冲蚀分布的影响

由图5可知,其最大冲蚀率密度发生在40μm~60μm粒径粒子所处的范围内,然而从叶片整体来看,其最大冲蚀率密度随反弹系数的变化并不成规律性｡下面以粒径为dp=40μm的粒子为研究对象来观察叶片局部冲蚀程度的变化规律｡图7所示为喷嘴冲蚀率密度分布｡在同一标尺下,不同反弹系数下叶片冲蚀率密度分布发生一定的差别｡随着反弹系数的增大,在叶片无量纲轴向位置ld=0.66~0.78处,冲蚀严重性明显增加｡从图7可以看出,随着反弹系数的增加,叶片整体冲蚀程度并不是逐渐增加的,但至少会增加叶片局部冲蚀程度｡图8所示为无量纲轴向位置ld的示意图｡

2.3不同反弹系数对粒子撞击参数的影响

如图7所示,随着反弹系数的增加,叶片的局部冲蚀程度增强｡为研究发生该现象的原因,选取叶片无量纲轴向位置ld=0.66~0.78处为研究对象进行下面研究｡

图7不同反弹系数下冲蚀率密度分布

图8叶片无量纲轴向位置示意图

图9所示为粒径dp=40μm时不同反弹系数下粒子撞击参数｡由图9可见,随着反弹系数的增加,粒子撞击速度没有明显变化,其速度在210m/s~240m/s之间略有波动｡随着反弹系数的增加,粒子撞击角度逐渐接近20°｡如图10所示,严重冲蚀发生在粒子撞击角度为15°~30°的范围内,其冲蚀峰值出现在撞击角度为20°时｡因此,随着反弹系数的增加,局部冲蚀破坏增加,而且相对于粒子撞击速度,粒子撞击角度对叶片局部冲蚀程度起决定作用｡

图9不同反弹系数下粒子撞击参数变化曲线

图10冲蚀率与粒子撞击角度关系曲线

3、结论

本文研究了超超临界汽轮机调节级内不同反弹系数下的固体颗粒冲蚀特性｡结论如下:

(1)随着粒径的增大,在不同的反弹系数下,最大冲蚀率密度先增大后减小,发生严重冲蚀的粒径范围为40μm~60μm,反弹系数的变化对发生严重冲蚀的粒径范围几乎没有影响｡

(2)随着反弹系数的增加,叶片整体冲蚀程度变化规律不明显,然而在叶片无量纲轴向位置为ld=0.66~0.78之间,叶片局部冲蚀程度显著加重｡

(3)随着反弹系数的增加,粒子撞击速度没有明显变化,然而粒子撞击角度变化较大,并逐渐接近发生严重冲蚀角度｡因此,粒子撞击角度在固体颗粒冲蚀破坏中起着重要作用｡

本文的研究结果为叶片材料和涂层的选择提供了理论参考｡然而,优化后叶片的寿命预测对汽轮机安全运行至关重要｡未来,将从叶片频率角度进一步研究叶片寿命预测｡

参考文献:

[1]张艾萍,张媛媛,张棋,等.斜置静叶对喷嘴内固体颗粒冲蚀作用的影响[J].汽轮机技术,2016,58(3):179-183.

[3]戴丽萍,俞茂铮,王贤钢.超临界汽轮机调节级叶片固体颗粒冲蚀特性的研究[J].热能动力工程,2005,20(3):230-233.

[10]黎伟,李配,舒晨旭.基于CFD对60.3mm弯管冲蚀仿真预测[J].表面技术,2020,49(8):178-184.