汽轮机叶栅表面盐沉积物理过程及其机理研究

Research on the physical process and mechanism of salt deposits on steam turbine blades is of great importance to explore new on-line cleaning method. Due to the complexity of salt deposits physical process on blades of steam turbine, it is not be depth known, and the cleaning process can't be directed in operating. In this research project, the experiments research in a 1.5 kW steam turbine is done firstly, the adhesion and removal characters of salt deposit on blades of steam turbine are researched and the characteristics of depositing are identified. Secondly, through analyzing of the forced state of crystals and taking account of the interaction of crystals, the mathematical models are established, and the motion locus of crystals and its distributive regularity along radial and axial on rotor and stator of steam turbine are obtained. Also, combined with numerical simulation of steam flow field in steam turbine, the gradient of salt concentration in boundary layer of blades is identified. Based on mass diffusion theory the ratio of adhesion, denudation and depositing are obtained. Finally, compared the results of experiment with numerical simulation, the related mathematical models used in numerical simulation are corrected，so the process and mechanism of salt deposit on the blades surfaces of rotor and stator in steam turbine are revealed.

汽轮机叶栅表面盐沉积物理过程及其机理的研究对于探索叶栅的新型在线清洗方式具有重要的意义。由于汽轮机叶栅表面盐沉积物理过程的复杂性，人们对叶栅表面盐沉积物理过程的机理认识得还不够深入，从而不能很好地对汽轮机运行过程中盐沉积的处理进行指导。 本项目首先在一台1.5kW汽轮机上进行实验研究，研究盐在汽轮机动、静叶栅表面附着、剥蚀特性，确定盐在汽轮机叶栅表面的沉积规律。然后，通过对溶盐颗粒的受力分析，并考虑到盐沉积过程中溶盐颗粒之间的相互作用，建立盐沉积物理过程的数学模型，得到溶盐颗粒在沉积过程的运动轨迹及沿动、静叶栅表面轴向、径向的分布规律。同时，结合对汽轮机内蒸汽流场的数值模拟，确定叶栅表面边界层内的盐浓度梯度，根据质量扩散原理，得到盐的附着率及剥蚀率，从而得到盐在叶栅表面的沉积率。最后，将实验结果与数值模拟结果进行比较，对数值模拟相关数学模型进行修正，从而揭示汽轮机动、静叶栅表面盐沉积物理过程及其机理。

蒸汽在汽轮机膨胀做功后，被蒸汽携带进入汽轮机的盐就会成核析出，部分盐颗粒最终沉积在汽轮机叶片上。而且，随着机组容量的增大和参数的提高，汽轮机级内盐沉积严重地威胁这汽轮机的安全运行。国内外对于此类问题的研究非常重视。本项目主要对汽轮机动、静叶栅表面盐沉积物理过程及其机理进行深入研究。首先，应用分子动力学模拟方法研究了汽轮机级内NaCl及Na2CO3的团聚特性，结果表明：在团聚初始阶段，Na+与Cl-温度突然升高，团簇势能转化为动能，并与水分子发生热量交换，温度逐渐降低到平衡温度；NaCl团聚过程受到压力的影响要大于温度的影响，并且压力降低幅度越大，团聚过程进行越快，而温度变化幅度与Na+与Cl-团聚快慢程度没有呈现出规律联系。在汽轮机通流部分蒸汽中Na2CO3的成核和增长在前期主要受温度影响，后期大团簇的形成主要受压力的影响；在团簇形成的初始阶段和后期大团簇形成期间，温度和压力的剧烈变化会加快离子对以及团簇的形成。然后，应用CFD-PBM方法对汽轮机级内盐析NaCl颗粒沉积特性、汽轮机变工况级内盐析颗粒沉积特性及不同盐析颗粒在汽轮机级内分布特性进行了研究，结果表明：动、静叶出口处颗粒随时间变化近似呈线性增长，盐析层表面的移去过程可以忽略，以沉积过程为主；盐析颗粒在静叶前缘形成高颗粒数目带，随后在叶片上沿轴向呈现阶梯状下降并随时间变化向轴向延伸，在动叶压力面有明显的大粒径颗粒聚集区域，并且粒径随径向高度增加而增大；随着负荷的降低，静叶上NaCl的粒径与动叶片相比增长比较缓慢，静叶前缘NaCl的粒径受负荷变化的影响不明显，而动叶尾缘处NaCl粒径随着负荷的降低增长加快；中压缸中NaCl，NaOH和Na2CO3的颗粒粒子数在叶片上生长较快，Na2SO4的沉积速度小于其他钠盐，Fe2O3的粒径下降较为迅速，SiO2、NaOH与Na2CO3的粒径下降较为一致。最后，搭建汽轮机叶栅盐沉积实验台，研究不同种类的盐在动、静叶栅表面沉积特性，并分析了盐析颗粒随外部条件改变后的沉积规律，将实验结果与数值模拟结果进行对比，结果较为吻合。