核动力汽轮机级的非平衡流动仿真模型

摘要

核电站中汽轮机的全部级都在湿蒸汽状态下工作。湿蒸汽快速膨胀会产生非平衡两相凝结流动现象。所谓非平衡,一是指过饱和膨胀产生的热力不平衡,即过热的、饱和的或过冷的蒸汽及水共存于同一压力之下,但相与相之间和各相内部均有温差存在;二是指高速气流中夹带的具有不同动力学特性的液滴产生的动力不平衡。当热力不平衡态发展到极点时,蒸汽在一定过饱和度下突然大量成核凝结,凝结潜热对汽流加热,形成了类似激波的凝结冲波现象。蒸汽快速膨胀产生的非平衡两相凝结流动现象是引起透平效率降低的重要原因。rn 分析了湿蒸汽的自发凝结特性,提出湿蒸汽的叶栅流动可以假设为两个阶段:叶栅内流动和叶栅后穿越凝结冲波的流动,并分别针对这两个阶段建立了由两个非线性方程组组成的透平湿蒸汽非平衡流动动态仿真模型,并对过程慢变量密度和焓进行了动态时间步长修正。方程组由两相流体质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程,过热蒸汽方程、流动压降方程、激波前后关系式及其它两相流关系式组成,方程中包含了叶栅几何尺寸、叶型损失等多个影响因素。模型可以求解叶栅出口平面及凝结冲波平面后两相流体的速度、压力、温度、焓及气流角等参数。以核动力汽轮机为对象的仿真算例表明,仿真结果合理并满足精度要求,模型可以用于核电站仿真机的研制开发。