汽轮机内高速凝结流动中传热传质机理及凝结流动对级效率影响的研究

本课题主要基于申请者已有的研究成果，对汽轮机内湿蒸汽两相凝结流动进行数值与实验研究，建立水滴生长热质平衡耦合模型。研究高速湿蒸汽两相凝结流动中传热传质现象的机理，包括换热凝结的流动形态、相变的换热过程、自发凝结的成核和水滴增长过程、非均质凝结中的冠状成核机理；汽轮机内凝结引起的边界层分离、凝结激波和气动激波相互干扰、叶栅出气角改变的机理并增加损失的原因；研究控制凝结过程，减少因凝结产生的各种损失的方法；研究凝结理论在汽轮机设计中的应用，依据凝结流自身流动规律设计蒸汽透平的通流部分并提高湿蒸汽级效率的途径。.该项目的研究范畴属于多相流体力学，高速流动中的凝结流动的数值模拟计算是目前该领域研究的难点和热点，本项目研究内容属国际前沿课题，可为设计高效率湿蒸汽级叶片提供科学的指导。

本课题着眼于汽轮机内高速自发凝结流动引起的相变问题及凝结对级内流动产生的影响进行研究。主要研究内容及成果如下：（1）研究了自发凝结传热传质机理，推导建立了基于热质传递平衡的水滴增长耦合模型。与现有模型相比，该模型可以更加准确描述任意Kn数范围内的水滴生长过程；（2）考虑颗粒表面冠状成核过程建立了非均质凝结模型，研究了自发凝结和非均质凝结同时存在的现象，分析了凝结对气流角、反动度的影响。自发凝结流动和非均质凝结流动的存在差异，杂质核表面的非均质成核过程能够抑制自发凝结，流动过程也更接近平衡流动。非均质凝结使喷管中凝结激波强度下降，汽轮机叶栅中的压力分布得到了优化，过冷度明显下降，自发凝结流动中存在的边界层分离现象消失，凝结引起的不平衡热力学损失和由于边界层分离引起的损失减少。汽轮机级内，受到凝结位置的影响，自发凝结流动与过热蒸汽流动的动叶出口汽流角差别较大；非均质凝结与过热蒸汽流动的动叶出口汽流角差别较小，两者接近平衡状态。由于在非均质凝结流动中，静叶喉部已经发生凝结，释放出的凝结潜热加热汽流，使得静叶出口压力升高，级反动度发生改变，偏离了设计参数；（3）研究了凝结激波和气动激波的相互作用。凝结提高了气动激波波前压力，干涉后尾缘压力面激波向吸力面延伸的长度明显减少，反射激波消失，由此产生的耗散效应被削弱，边界层损失和压力面斜激波与吸力面边界层交互带来的耗散损失降低。但尾缘吸力面激波强度增大。（4）研究了尾迹涡扰动对凝结流动的影响。尾迹涡的扰动作用使得成核过程发生了变化, 且改变了水滴数和湿度的分布。凝结使得湿蒸汽流动中叶栅吸力面边界层的分离程度远大于过热蒸汽流动中的分离程度, 边界层分离产生的损失不可忽视。（5）进行了汽轮机内蒸汽湿度测量实验研究。分别采用光学法和谐振腔法对汽轮机内蒸汽湿度进行了测量，得到了汽流参数变化及蒸汽中杂质对测量结果的影响。