بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش جریان دوفازی بخار-قطره در ردیف آخر توربین بخار بررسی شده است. پس از انبساط جریان بخار در ردیف آخر توربین بخار زمینه تشکیل قطرههای ریز آب بر اساس فرایند جوانهزنی همگن فراهم میشود. ردیف آخر توربین بخار مورد بررسی شامل 46 پرهی ثابت و 96 پرهی متحرک است. فرایند جوانهزنی همگن و معادلات حاکم بر جریان دوفاز بخار-قطره بر مدل یک پرهی دوبعدی آزمایشگاهی اعمال شده و نتایج حاصل از شبیهسازی با نتایج آزمایشگاهی از سازگاری مناسب برخوردار است.
پس از اطمینان از صحت روش حل عددی، شبیهسازی جریان دوفازی در ردیف آخر توربین شامل پرههای ثابت و متحرک با در نظرگرفتن یک شبکهی لغزشی در فصل مشترک پرههای ثابت و متحرک انجام شده است. نتایج شبیهسازی جریان در ردیف آخر توربین بخار با نتایج تجربی نیروگاه رامین اهواز مقایسه شده و همخوانی مناسب بهدست آمده است. نتایج حاصل بهصورت توزیع فشار کل و استاتیک، آنتالپی کل و استاتیک، توزیع سرعت، کسر جرمی رطوبت و بازده ارائه شده و مشاهده میشود که نرخ تشکیل رطوبت در نزدیکی لبههای فرار پره ثابت و متحرک در سمت مکش بیشترین مقدار را داراست.
مقدمه
شبیهسازی جریان بخار در پرههای توربین بخار یکی از موضوعات مهم در زمینه افزایش کارائی توربین بخار بوده است. اطلاعات سازمان بینالمللی انرژی نشان میدهد که تقرباًی %70 انرژی الکتریکی تولید شده توسط توربینهای بخار صورت میگیرد .[1] طبقهی آخر پرههای توربین بخار که در آن علاوه بر انبساط بخار، فرایند تبدیل بخار به قطرات ریز آب نیز رخ میدهد از اهمیت بسیار برخوردار است. وجود فاز دوم در جریان بخار آب بر روی پروفیلهای فشار و دما اثر گذار است و میتواند موجب تغییر بر روی بازده توربین شود.
از آنجایی که بخش کمفشار توربین بخار بیشترین سهم را در تولید توان در مقایسه با بخش پرفشار دارد و بهدلیل افت آنتالپی بیشتر دچار تولید رطوبت و ایجاد جریان دوفاز میشوند، نسبت به دیگر طبقهها از اهمیت بیشتری برخوردار است. تولید فاز دوم در توربین بخار باعث افت کارایی توربین تا نزدیک به یک درصد میشود .[2] در شکست پره در ردیف آخر عوامل مختلفی مانند سایش ناشی از برخورد ذرات ریز آب، ارتعاشات و خستگی ناشی از آن و تنشهای مختلف اعمالی به پره دخیل هستند که لازم است مورد بررسی قرار گیرند.
بخار در طبقههای آخر توربین مراحل نهایی انبساط را داشته و دمای آن پایین میآید و وارد ناحیهی دوفازی میگردد که در این ناحیه جوانهزنی قطرات آب شروع میگردد. در اثر برخورد قطرات با پرهها سایش بهوجود میآید و همچنین این برخورد سبب ایجاد تلفات، ارتعاشات و لرزش میگردد. مطالعات فراوانی با استفاده از روشهای تجربی، عددی و تئوری پیرامون فرایند جوانهزنی طی سالهای اخیر انجام شده است.
برخی از پژوهشهای تجربی انجام شده در مورد مدلسازی جوانهزنی در جریان یکبعدی در نازل لاوال توسط هیل انجام شد .[3] باختر و همکاران یک زنجیرهی خطی از نوک پرهی توربین را به صورت تجربی بررسی کرده و میزان فشار در طرف فشار و مکش پره بهصورت آزمایشگاهی بدست آوردند .[4] آنها مشاهده نمودند طرف مکش پره عامل اصلی افت فشار و میعان است. در زمینه شبیهسازی عددی، گربر با استفاده از یک روش عددی بر اساس دیدگاه اویلر-لاگرانژ به حل جریان در نازل و اطراف پره پرداخت و نتایج حاصل از حل عددی با نتایج آزمایشگاهی تطابق مناسبی مشاهده شد .[5]
در ادامه گربر و کرمانی روش حل عددی بر پایه اویلر-اویلر برای جریان دوفازی غیر تعادلی گذر صوتی بخار ارائه کردند و پاسخ مناسب در مقایسه با داده های آزمایشگاهی برای جریان های فشار پایین و فشار بالا در شیپوره ها و همچنین جریان دور پرهی توربین پره بخار در هندسهی دوبعدی بدست آوردند. ایشان معادلات حاکم بر جریان را با مدل اویلر برای هر دوفاز نوشته و با در نظر گرفتن عبارت های منبع و با به خدمت گرفتن الگوی جوانه زنی همگن کلاسیک در بخار آب به تحلیل جریان پرداختند .[6]
نیکخواهی و همکاران نیز با استفاده از روش حل عددی بر پایهی اویلر-اویلر برای جریان دو فازی حول پرهی دوبعدی آزمایش شده توسط باختر و همکاران توانستند به نتایج مطلوب برای فشار های مختلف در مقایسه با آزمایش دست یابند. ایشان با استفاده از یک شبکه با سازمان نشان دادند که سطح مکش بیشترین اثر را در افت فشار دارد و همچنین عمده چگالش در سطح مکش رخ میدهد و با کاهش فشار خروجی میزان میعان افزایش می یابد .[7]
همچنین گربر با استفاده از روش چندسیالی غیرهمگن به شبیهسازی پرهی دوبعدی آزمایشگاهی یانگ پرداخت. در این روش گربر با معرفی سه سیال که شامل بخار، قطرات درشت موجود در جریان بخار و همچنین قطرات ریز ناشی از جوانهزنی به بررسی رفتار جریان بخار و قطره ضمن عبور از پره پرداخت. نتایج حاصل با نتایج آزمایشگاهی از سازگاری مناسبی برخوردار بود .[8]
استستنی و همکاران با فرض گاز ایدهآل به جای بخار مرطوب به شبیهسازی طبقه آخر یک توربین بخار 1000 مگاواتی پرداختند. ایشان با در نظرگرفتن همزمان پرههای ثابت و متحرک و همچنین احتساب لقی بین نوک پرهی متحرک و پوسته تلفات، بازده و دیگر ویژگیهای جریان را در ردیف آخر توربین را بررسی نموده و تأثیر جریان ثانویه در ردیف آخر و افت بازده در نزدیکی پوسته را بهدست آوردند .[9]
مدل جوانهزنی و معادلات حاکم بر جریان دوفاز
هنگامی که بخار از حالت ابرگرم بهسرعت منبسط میشود و روی خط بخار اشباع پیش میرود - نقطهی 1 شکل - 1، بخار در تعادل شبهپایداری قرار میگیرد که بخار با عبور از نقطهی 1 بلافاصله مایع نمیشود، و تغییری در خصوصیات آن بهوجود نمیآید و پس از نقطهی 1 هم از قوانین حاکم بر بخار ابرگرم پیروی میکند تا اینکه به فشار پایینتر معینی میرسد.
در این نقطه چگالش ناگهانی رخ میدهد و دوباره تعادل ترمودینامیکی برقرار میشود. کیفیت سیستم در این حالت بهوسیله فشار و حجم مخصوص - و یا آنتروپی - آن در نقطهی 2 تعیین میشود. این پدیده هم در توربینها و هم در شیپورهها که انبساط سریعی دارند، دیده میشود. در ناحیهی 2-1 بخار را ابراشباع مینامند. مکان هندسی در نقطهی 2 در فشارهای مختلف، نوار یا ناحیهای را تشکیل میدهد که آن را خط ویلسون - شکل - 1 مینامند. در نمودار مولیر، خط ویلسون در حدود 63kj در زیر خط اشباع قرار دارد.
بر اساس جوانهزنی همگن، چگالش اولیه منجر به تشکیل ذرات مایع با قطر کم ولی انحنای زیاد میشود - انحنا با قطر تناسب معکوس دارد - . در این شرایط ایجاد قطره باعث تولید سطح مشترک در مرزهای فاز جدید میشود. مقدار انرژی برای ایجاد سطوح تشکیل شده بر اساس انرژی سطحی هر فاز مصرف میشود. اگر ذره فرضی بسیار کوچک باشد، انرژی که با تشکیل حجم ذره آزاد میشود، برای ایجاد سطح آن کافی نخواهد بود و جوانههای قطره تشکیل نمیشود.
اعتبار سنجی
به منظور اطمینان از دقت شبیهسازی جریان دوفاز، ابتدا حل عددی جریان اطراف نوک پرهی آزمایش شده توسط باختر و همکاران [3] انجام شده و نتایج حاصل از حل عددی با دادههای آزمایشگاهی مقایسه میگردد. آزمایش برای شرایط ورودی مرطوب و با فشار کل و دمای کل 1/02 بار و 373/3 درجهی کلوین و فشار استاتیک خروجی 0/676 بار انجام شده است.
میزان کسر جرمی رطوبت در ورودی 0/016 و شعاع قطره نیز0/0152 میکرون است. در این شکل منحنی بالا نمودار فشار در نزدیکی سطح فشار و منحنی پایین نمودار فشار در نزدیکی سطح مکش پره است. در این نمودار xd فاصلهی بیبعد افقی از لبهی حمله است. مقایسه نتایج حاصل از حل عددی با دادههای تجربی [3] مطابقت مناسبی را نشان میدهد.
نتایج
هندسهی مورد بررسی در این بخش پرههای ثابت و متحرک ردیف آخر توربین بخار فشار ضعیف نیروگاه رامین اهواز است. جریان بخار در ردیف آخر توربین بخار از ورود تا خروج بهطور کامل مرطوب است. پرههای ثابت ردیف آخر از نوع مخروطی و پرههای متحرک از نوع عکسالعملی و پیچدار است. در ردیف آخر توربین بخار 46 پرهی ثابت و 96 پرهی متحرک قرار دارد.
برای در نظرگرفتن اثرات دیوارهها در نزدیکی پرهها، طوقه و پوسته از شبکهبندی ریزتر در نزدیک آنها استفاده شده است. همچنین برای در نظرگرفتن اثر متقابل بین پرهی ثابت و متحرک، شبکه لغزشی بین این دو بهکار میرود. برای تولید شبکه از شبکههای چندبلوکی که بهصورت اجزای سهبعدی مکعبی هستند استفاده شده است. شبکه محاسباتی تولید شده اطراف پرهها دارای 1,408,366 سلول هگزاهدرال است.
شرایط مرزی در بار 100 درصد، سیال با فشار کل 0/236 بار، با دمای کل 330 درجهی کلوین با زاویهی میانگین 24 درجه نسبت به محور دوران با پرههای ثابت برخورد میکند. کسر جرمی جریان مایع در ورودی 0/045 است. جریان سیال نهاتاًی با فشار استاتیک 0/0657 بار از طبقهی آخر توربین خارج میشود. سرعت زاویهای برای پرهی گردنده دارای مقدار ثابت و برابر 3000 دور در دقیقه است.
