（輪機(jī)工程專業(yè)論文）離心壓氣機(jī)濕壓縮實(shí)驗(yàn)研究及數(shù)值模擬.pdf

哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 摘要 目前，燃?xì)廨啓C(jī)在諸多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，特別是在發(fā)電設(shè)備市場(chǎng)， 因此如何進(jìn)一步提高燃?xì)廨啓C(jī)性能已是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。本文所采用的 濕壓縮技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，效果突出，容易實(shí)施等優(yōu)點(diǎn)，備受各國(guó)研究者 關(guān)注。 濕壓縮熱力學(xué)過程與干壓縮過程比較來說發(fā)生了很大的變化，需要自 理論上加以研究。在論文中按照熱力學(xué)基本原理給出了理想濕壓縮的概念， 并定義了濕壓縮效率。本文詳細(xì)介紹了f l u e n t 軟件中的離散相模型，并以 此對(duì)兩級(jí)濕壓縮中間連接管道進(jìn)行了噴水?dāng)?shù)值模擬，經(jīng)與干壓縮模擬結(jié)果 比較，得出級(jí)間噴水效果良好，確定了較佳噴水位置。在計(jì)算數(shù)值處理中 給出了流場(chǎng)溫度降低、壓力損失增加、積水位置和噴入水質(zhì)量減少等具體 結(jié)果。 改進(jìn)設(shè)計(jì)的單級(jí)濕壓縮試驗(yàn)臺(tái)各系統(tǒng)工作良好，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了兩 級(jí)濕壓縮試驗(yàn)臺(tái)。并進(jìn)行了大量的霧化技術(shù)實(shí)驗(yàn)，得出直流閃蒸技術(shù)在特 定的壓力溫度下能滿足級(jí)間加濕的需要。在單級(jí)濕壓縮試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了大 量進(jìn)口噴水加濕試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：濕壓縮技術(shù)增加了壓氣機(jī)質(zhì)量流量， 提高了壓比，降低了壓縮終溫。 關(guān)鍵詞：濕壓縮；壓氣機(jī)；數(shù)值模擬；試驗(yàn) 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，g a st u r b i n e sh a v eb e e na p p l i e dt om a n ya r e a s ，s p e c i a lf o rt h e m a r k e to fp o w e re q u i p m e n t s ，h o wt o i m p r o v eg a st u r b i n ep e r f o r m a n c e b e c o m e saf o c u so fr e s e a r c ha l lo v e rt h ew o r l d w e tc o m p r e s s i o ni n t r o d u c e di n t h et h e s i s ，w h i c hh a sa d v a n t a g e so fs i m p l i c i t y , e f f e c t i v e n e s s ，e a s y t o u s e ，a n d s oo n ，h a sd r a w nc o m p r e h e n s i v ea t t e n t i o n w e tc o m p r e s s i o np r o c e s sh a sg r e a td i f f e r e n c ef r o mg e n e r a l d r ya i r c o m p r e s s i o np r o c e s s ，s on e e dt or e s e r c hi nt h e o r y i nt h et h e s i s ，i d e a lw e t c o m p r e s s i o nc o n c e p tw a sg i v e na c c o r d i n gt o t h eb a s i ct h e r m o d y n a m i c s a n a l y s i s ，a n dt h ew e tc o m p r e s s i o ne f f i c i e n c yw a sd e f i n e da l s o t h ed i s c r e t e p h a s em o d e lo f t h es o f t w a r eo ff l u e n tw a sd e t a i l e di n t r o d u c e di nt h et h e s i s ，a n d w i t ht h i st om a k et h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h ec o n n e c t i n gp i p eo ft h e t w o - c l a s s e s e sw e tc o m p r e s s i o nr i g ，c o m p a r i n gw i t ht h ed r yc o m p r e s s i o n s s i m u l a t i o nr e s u l t ，g e t t i n gt h es p r a yo fw a t e r sr e s u l tw e l l ，m a k i n gs u r et h e b e t t e rs p r a y sp l a c e i nt h ec a l c u l a t i o nd a t ap r o c e s s i n g ，f l o wt e m p e r a t u r et o l o w e r ，t h ep r e s s u r e sl o s st oh i g h e r ，t h ea c c u m u l a t i n gw a t e rp l a c et of i xa n dt h e s p r a yw a t e r sq u a n t i t yd e c r e a s ee t c t h ei m p r o v e dw e tc o m p r e s s i o nr i g ss y s t e mw o r kw e l l ，o nt h ef o u n d a t i o n t w o - c l a s s e sw e tc o m p r e s s i o nr i gw a sd e s i g n e d f r o mag r e a td e a lo ff o g g i n g e x p e r i m e n t ，g e t t i n gt h a tt h ed i r e c t f l a s ht e c h n i q u ec a ns a t i s f rt h ee x p e r i m e n t al o to fw e t c o m p r e s s i o n se x p e r i m e n t w e r em a d eo nt h e s i g l e - s t a g e e x p e r i m e n t ，t h e r e s u l t ss h o wt h a tw e tc o m p r e s s i o ni n c r e a s e sc o m p r e s s o r s m a s sf l o w , h e i g h t e nt h er a t i oo fp r e s s u r e ，l o w e rt e m p e r a t u r eo fc o m p r e s s o r o u t l e t k e y w o r d s ： w e t c o m p r e s s i o n ；c o m p r e s s o r ； n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ； e x p e r i m e n t 哈爾濱工程大學(xué) 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：本論文的所有工作，是在導(dǎo)師的指導(dǎo)下， 由作者本人獨(dú)立完成的。有關(guān)觀點(diǎn)、方法、數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)等的 引用已在文中指出，并與參考文獻(xiàn)相對(duì)應(yīng)。除文中已經(jīng)注明 引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體己公開發(fā) 表的作品成果。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體， 均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律 結(jié)果由本人承擔(dān)。 作者( 簽字) ：蘭塹生 日期，糾髟年2 月2 夕日 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 第1 章緒論 1 1 燃?xì)廨啓C(jī)濕壓縮技術(shù)研究背景 自從1 7 9 1 年英國(guó)人j b a r l e r 首次使用了g a st u r b i n e 這一名詞來命名 其提出的具有現(xiàn)代燃?xì)廨啓C(jī)特征的設(shè)計(jì)以來，燃?xì)廨啓C(jī)從萌芽階段起步， 經(jīng)歷了工業(yè)試用階段、實(shí)用階段以及發(fā)展階段，已經(jīng)成為與蒸汽輪機(jī)、柴 油機(jī)同等重要的動(dòng)力機(jī)械。 作為基本動(dòng)力機(jī)械，燃?xì)廨啓C(jī)是繼蒸汽輪機(jī)之后的新一代動(dòng)力裝置， 由于它具有重量輕、體積小、功率大、啟動(dòng)快、污染少以及渦輪前溫度高， 可以實(shí)現(xiàn)能量的梯級(jí)利用，因而熱效率高，經(jīng)濟(jì)性好。由此燃?xì)廨啓C(jī)在本 世紀(jì)5 0 年代開始在航空領(lǐng)域取得了主宰地位。6 0 年代到7 0 年代初期， 第一代的艦用燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)展到成熟階段，燃?xì)廨啓C(jī)開始大量裝艦。7 0 年 代，隨著性能更高的新一代燃?xì)廨啓C(jī)的問世以及計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)的應(yīng)用， 軍艦和石油天然氣方面應(yīng)用的燃?xì)廨啓C(jī)數(shù)量繼續(xù)增長(zhǎng)，坦克也正式使用燃 氣輪機(jī)。7 0 年代初爆發(fā)的世界性能源危機(jī)很大程度上影響了世界燃?xì)廨?機(jī)的生產(chǎn)量，但隨著燃?xì)廨啓C(jī)效率的提高以及從5 0 和6 0 年代開始出現(xiàn)的 燃一蒸聯(lián)合循環(huán)電站的快速發(fā)展，從7 0 年代中后期已有所回升。到1 9 8 7 年，美國(guó)生產(chǎn)的燃?xì)廨啓C(jī)容量首次超過了蒸汽輪機(jī)。 雖然燃?xì)廨啓C(jī)裝機(jī)容量不斷增加和適用范圍不斷擴(kuò)展，但仍存在較多 限制，特別是炎熱天氣下輸出功率的減少、耗油率較高，如圖1 1 所示 a 1 s t o m 公司某燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組性能與環(huán)境空氣溫度之間的變化關(guān)系見 圖1 1 。從圖1 中可以得出 1 1 0 1 0 5 - - 7 1 0 0 彘 虹 善9 5 磚 9 0 魁 8 5 、 - - i 一_j 冬、 避氣流量 、 - - 、l - - - - 機(jī)菇出舟 、 51 0埔2 02 53 0 強(qiáng) 壓氣機(jī)進(jìn)氣溫度 圖1 1 燃?xì)廨啓C(jī)性能曲線 隨著壓氣機(jī)進(jìn)口溫度的上升，燃?xì)廨嗚胚M(jìn)氣流量及出力與環(huán)境空氣溫度之 間的關(guān)系式如下：p ( ) = 1 1 1 1 7 2 一o 7 4 4 8 t 、m ( ) = 1 0 5 4 6 6 0 3 6 4 4 t ， 其中m 是空氣的質(zhì)量流量與額定工況下的百分比，p 是輸出功率和額定工 況下的百分比，t 是環(huán)境溫度( o c ) 。從兩個(gè)式子可以看出燃?xì)廨啓C(jī)輸出 功率與迸氣流量和環(huán)境溫度之間的變化關(guān)系。在環(huán)境空氣溫度為5 0 c 時(shí)， 燃?xì)廨啓C(jī)輸出功率為額定出力的1 0 7 ，而在3 5o c 時(shí)只有額定值的8 5 。 燃?xì)廨啓C(jī)性能受環(huán)境溫度影響較大。燃?xì)廨啓C(jī)濕壓縮技術(shù)作為燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn) 氣冷卻方式的一種被提出來，并在這樣個(gè)環(huán)境下逐漸發(fā)展起來的。 由于中國(guó)一次能源以煤為主的消費(fèi)結(jié)構(gòu)，并受到規(guī)定的“發(fā)電設(shè)備只 準(zhǔn)燒煤，的前燃料政策的制約，目前中國(guó)燃?xì)廨啓C(jī)在現(xiàn)有發(fā)電設(shè)備裝機(jī)容 量中，占有量小，只有7 0 0 萬k w 左右。但發(fā)展速度很快，正在建設(shè)和計(jì) 劃的就超過8 0 0 萬k wm 。中國(guó)燃?xì)廨啓C(jī)電站裝機(jī)容量的3 0 以上集中在 長(zhǎng)年溫度較高的長(zhǎng)三角和珠三角地區(qū)，高溫時(shí)段難以發(fā)揮燃?xì)廨啓C(jī)及其聯(lián) 合循環(huán)電站的調(diào)峰性能。華北地區(qū)夏天時(shí)溫度也很高，對(duì)燃機(jī)電站的高效 工作影響很大。在這些地方的新燃機(jī)電廠勢(shì)必會(huì)考慮到這個(gè)重要因素，所 以燃?xì)廨啓C(jī)濕壓縮技術(shù)的研究對(duì)中國(guó)也具有重大實(shí)用意義。 1 2 燃?xì)廨啓C(jī)濕壓縮技術(shù)概念及特點(diǎn) 燃?xì)廨啓C(jī)的濕壓縮概念最初由美國(guó)人r v k l e i n s c h m i d t 在上世紀(jì) 2 哈爾濱工程人學(xué)碩十學(xué)位論文 4 0 年代末5 0 年代初提出來的?！皾駢嚎s( w e tc o m p r e s s i o n ) ”的概念 是：“在壓氣機(jī)入口或級(jí)間向被壓縮氣體噴入冷卻液體，噴入的液滴與氣 體直接接觸，相互摻混進(jìn)行熱量和質(zhì)量傳遞，由于液體蒸發(fā)要吸收大量的 熱，所以氣體在壓縮的同時(shí)又被冷卻，結(jié)果使壓縮過程更接近于等溫壓縮， 使壓氣機(jī)出口氣體溫度低于絕熱壓縮時(shí)的溫度，壓氣機(jī)耗功低于絕熱壓縮 功。” 從熱力學(xué)方面而言，濕壓縮與傳統(tǒng)的分級(jí)壓縮、中間冷卻方法目的相 同，都是降低空氣壓縮出口的終溫，增加輸出功率，但兩者又有不同之處， 具體表現(xiàn)如下： 1 在濕壓縮過程中，水滴是被空氣攜帶，兩種物質(zhì)是直接接觸，發(fā) 生熱量傳遞和質(zhì)量傳遞，空氣在被壓縮的同時(shí)被冷卻，因此濕壓縮過程是 一個(gè)連續(xù)的冷卻過程。中冷則是將被壓縮氣體從壓氣機(jī)級(jí)間抽出，經(jīng)冷卻 后再送回壓氣機(jī)繼續(xù)壓縮。 2 濕壓縮是通過水滴的蒸發(fā)來降低空氣溫度。空氣減少的能量等于 水或水蒸汽吸收的能量，仍存在于系統(tǒng)中，因此濕壓縮過程又是一個(gè)回?zé)?過程。而采用中冷時(shí)，中冷熱量通常被冷卻水帶走。冷卻水溫升有限，很 難加以利用，中冷熱量通常釋放給環(huán)境，成為系統(tǒng)能損失的又一來源。 3 采用濕壓縮時(shí)，水蒸汽使透平工質(zhì)流量增加，同時(shí)由于濕燃?xì)獾?比熱容較大，相同溫降時(shí)的焓降也大，從而透平功增加。采用中冷時(shí)透平 功基本不變。因此，采用濕壓縮后燃機(jī)裝置輸出功的增加比中冷顯著。 4 濕壓縮燃機(jī)中，隨空氣進(jìn)入燃燒室的水蒸汽可使n o x 的生成率降 低，從而減少對(duì)環(huán)境的污染。 1 3 燃?xì)廨啓C(jī)濕壓縮技術(shù)的發(fā)展 1 3 。1 燃?xì)廨啓C(jī)濕壓縮技術(shù)的早期發(fā)展 早在2 0 世紀(jì)5 0 年代，美國(guó)和蘇聯(lián)的學(xué)者就對(duì)濕壓縮技術(shù)進(jìn)行了理 論和實(shí)驗(yàn)研究m “。但是由于當(dāng)時(shí)處于對(duì)濕壓縮技術(shù)過程認(rèn)識(shí)的起始階段以 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 及受到當(dāng)時(shí)技術(shù)條件的限制，早期的研究并未取得預(yù)期的成果，但其得到 的一些結(jié)論對(duì)后來的研究仍具有一定的指導(dǎo)作用。例如，由于水沒有得到 很好的處理，使得壓氣機(jī)葉片很快積垢；由于水噴入發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)沒有得到很 好的霧化，造成了葉片的嚴(yán)重水蝕；由于對(duì)噴水量沒有進(jìn)行合理的控制， 造成壓氣機(jī)內(nèi)部流動(dòng)損失過大，效率下降等后果。另外，當(dāng)時(shí)燃?xì)廨啓C(jī)參 數(shù)及部件效率較低，從這兩方面研究提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能的潛力還很大，從而 淡化了濕壓縮研究的緊迫性。五十年代初以美籍華人蘇紹禮( s h a o - l e e s o o ) 為代表的研究者，對(duì)軸流式壓氣機(jī)進(jìn)行的研究表明，濕壓縮對(duì)壓氣 機(jī)效率的影響主要取決于鰣的大小，其中s 為對(duì)數(shù)壓縮率，它與壓氣機(jī) 壓比、流速和軸向長(zhǎng)度有關(guān)，d 。為進(jìn)入壓氣機(jī)的水滴直徑。磁越小，濕 壓縮對(duì)壓氣機(jī)效率的降低越少；占一定時(shí)，d 。則是決定性的因素。且由于 空氣攜帶水滴在壓氣機(jī)中停留的時(shí)間很短，對(duì)于顆粒較大的水滴來說，因 沒有足夠的時(shí)間進(jìn)行蒸發(fā)，水滴在離心力的作用下會(huì)集中到環(huán)形通道的外 緣( 葉尖部分) ，甚至撞擊到壓氣機(jī)機(jī)匣內(nèi)表面上，這樣水滴尺寸大時(shí)， 葉輪葉片及壓氣機(jī)機(jī)匣內(nèi)表面均被沾濕。結(jié)果是液滴與空氣摻混不均，造 成壓氣機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)的畸變，葉片的工作狀態(tài)脫離設(shè)計(jì)狀態(tài)過遠(yuǎn)。另外，通 流表面沾濕后增大了摩擦損失。這些作用使壓氣機(jī)效率有所下降。壓氣機(jī) 效率的降低使得需要的壓縮功增大，抵消了由于水蒸發(fā)使空氣溫度降低而 減少的壓縮功。由于當(dāng)時(shí)技術(shù)所限，阻礙了濕壓縮技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。 2 0 世紀(jì)6 0 年代以后，美國(guó)對(duì)濕壓縮的研究基本中斷。前蘇聯(lián)則進(jìn)行 了較為詳盡的理論和實(shí)驗(yàn)研究，取得了較好的效果，在適當(dāng)?shù)膬?yōu)化條件下 可使壓氣機(jī)的效率提高3 一4 ( 相對(duì)值) 。 以上的這些研究結(jié)果無疑對(duì)八十年代末開始的新一輪濕壓縮技術(shù)研 究有著重要的方向性指導(dǎo)作用。 1 3 2 燃?xì)廨啓C(jī)濕壓縮技術(shù)的目前發(fā)展 近年來燃?xì)廨啓C(jī)濕壓縮技術(shù)又被人們重視起來的一個(gè)重要原因就是 霧化技術(shù)的發(fā)展和能源危機(jī)進(jìn)一步加劇，另外則是由于燃?xì)廨啓C(jī)各部件性 能參數(shù)都已相當(dāng)高，要想提高己十分困難。通過技術(shù)的改進(jìn)和一些有效措 施的采用( 如高效霧化噴嘴和高效過濾器的使用、噴水量的優(yōu)化控制、噴 4 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 嘴位置的合理安排等) ，濕壓縮技術(shù)在改善燃機(jī)性能方面已卓有成效，并 且濕壓縮技術(shù)在商業(yè)中廣泛使用，進(jìn)一步說明了濕壓縮技術(shù)的有效性。 美國(guó)人為解決在炎熱天氣燃機(jī)輸出功率大幅度下降的問題，在壓氣機(jī) 進(jìn)氣道前加裝一套造雨機(jī)”，用來冷卻進(jìn)口空氣，降低壓氣機(jī)進(jìn)口溫度， 從而降低了壓氣機(jī)出口終溫，恢復(fù)燃機(jī)出力，經(jīng)濟(jì)效益明顯。 美國(guó)電力研究所( e r p i ) 已研制出并正在銷售噴水冷卻技術(shù)，其技術(shù)是 通過對(duì)進(jìn)口空氣和壓氣機(jī)級(jí)間氣流進(jìn)行蒸發(fā)冷卻來改善高溫季節(jié)時(shí)燃?xì)?輪機(jī)裝置的性能。該項(xiàng)技術(shù)由r o b e r tf r i s c h m u t h 與e r p i 的同事們共同 研制。該項(xiàng)技術(shù)主要包括表1 1 內(nèi)容： 表1 1e r p i 的技術(shù)內(nèi)容 多級(jí)噴水冷卻技術(shù)能典型的將高溫季節(jié)時(shí)機(jī)組的功率輸出 增量 增加1 5 一2 0 。 數(shù)以百計(jì)的霧化噴嘴對(duì)進(jìn)口氣流濕化，這樣經(jīng)調(diào)節(jié)后的微 氣流濕化 小水滴可進(jìn)入壓氣機(jī)。 除去軟化給水費(fèi)用，初略的估算功率每增加lm w 費(fèi)用為 基本費(fèi)用 9 0 $ 一1 0 0 $ 。 到1 9 9 6 年u t i l r p 公司在e p r i 的7 e 型燃機(jī)上做了實(shí)驗(yàn)，采用“壓氣 機(jī)入口噴水內(nèi)冷卻技術(shù)”，即相當(dāng)于將入口噴水蒸發(fā)冷卻和濕壓縮技術(shù)結(jié) 合了起來，與單純的入口蒸發(fā)式冷卻相比，其對(duì)燃機(jī)性能的改進(jìn)更顯著， 且單位丘的投資也更低。1 9 9 6 年夏天1 5 0 小時(shí)的運(yùn)行表明，燃機(jī)功率 可增加1 5 5 ，機(jī)組效率可提高1 9 ( 相對(duì)值) m 。 1 9 9 8 年美國(guó)g e 公司推出了中間冷卻的l m 6 0 0 0 航改型燃?xì)廨啓C(jī)，并投 入了商業(yè)運(yùn)行m “，。l m 6 0 0 0s p r i n t 技術(shù)就是向壓氣機(jī)通流部分噴水的一種 方案，即在連接低壓壓氣機(jī)和高壓壓氣機(jī)的過渡段處噴入水。經(jīng)運(yùn)行測(cè)試 表明：這項(xiàng)技術(shù)使l m 6 0 0 0 p c p d 機(jī)組在i s 0 條件下功率提高了9 ，熱耗 下降約0 5 ，并稱此技術(shù)可取代在高溫運(yùn)行環(huán)境下燃機(jī)進(jìn)口冷卻技術(shù)。 后來，g e 公司又對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)，又在原有設(shè)備上增加了低壓壓氣機(jī)( 機(jī) 組進(jìn)口) 噴水冷卻裝置，即同時(shí)向低壓壓氣機(jī)和高壓壓氣機(jī)噴水，進(jìn)一步 提高了整個(gè)機(jī)組的功率和效率，其運(yùn)行結(jié)果與只在高壓壓氣機(jī)進(jìn)口噴水的 機(jī)組運(yùn)行結(jié)果相比較見表1 2 “。 在大氣溫度3 2 下，燃機(jī)輸出功率增加2 0 。把霧化的水霧噴入1 4 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 級(jí)高壓壓氣機(jī)的前面，壓氣機(jī)的出口溫度明顯減小。這一結(jié)果可獲得更高 的輸出功率和更好的效率。實(shí)驗(yàn)得出，在3 2 。c 壞境溫度下向高壓壓氣機(jī) 前注入0 2 7 空氣流量的水，就可以使燃機(jī)功率增加2 0 4 ，熱效率從 4 7 2 增加到4 8 7 ，也就是使效率增加4 ( 相對(duì)值) 。s p r i n t 水霧中間冷 卻技術(shù)適用于具有較高壓比的壓氣機(jī)。 2 0 0 0 年，在美國(guó)科羅拉多州的f t 1 u p t o n 安裝的一臺(tái)l m 6 0 0 0 燃?xì)廨?機(jī)采用在低、高壓壓氣機(jī)噴水的技術(shù)。據(jù)稱，這是世界上首臺(tái)在壓氣機(jī)級(jí) 間采用噴水的商用燃?xì)廨啓C(jī)，功率從4 4 5 m w 提高到4 7 5 脅r 。 表1 2l m 6 0 0 0 機(jī)組噴水實(shí)驗(yàn)結(jié)果 環(huán)境溫度5 9 。f ( 1 5 c )環(huán)境溫度9 0 。f ( 3 2 2 。c ) 高、低壓壓高壓壓氣高、低壓壓高壓壓氣 設(shè)計(jì)參數(shù) 氣機(jī)進(jìn)口機(jī)進(jìn)口噴氣機(jī)進(jìn)口噴機(jī)進(jìn)口噴 噴水機(jī)組水機(jī)組 水機(jī)組 水機(jī)組 輸出功率足形 4 6 1 0 04 8 2 7 53 7 8 0 04 0 1 0 0 熱耗b t u 丘h8 7 7 6 8 7 8 59 1 4 4 9 0 9 5 噴水量l b h r 4 7 6 04 4 1 05 2 6 05 1 5 0 n o x 排放p p m 2 52 52 52 5 質(zhì)量流量l b s e c 2 8 72 8 9 2 5 72 6 1 排氣溫度。f 8 2 48 5 28 4 68 6 0 從2 0 0 0 年1 月到2 0 0 2 年1 2 月，全世界約3 2 9 臺(tái)單機(jī)功率3 5 2 6 2 m 矽 燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組安裝了進(jìn)氣冷卻設(shè)施，其中安裝蒸發(fā)和噴水冷卻的有1 9 0 臺(tái) 機(jī)組n ”。從2 0 0 3 年1 月到2 0 0 4 年7 月，全世界共有約1 2 5 臺(tái)單機(jī)功率 3 5 - 5 5 0 肘形重型發(fā)電燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組安裝了進(jìn)氣冷卻設(shè)施，其中安裝蒸發(fā)和 噴水的有4 4 臺(tái)機(jī)組m ，。其中2 0 0 3 年在比利時(shí)的發(fā)電機(jī)組上首次安裝了漩 渦閃蒸霧化加濕系統(tǒng)，在壓氣機(jī)出口溫度、流量、蒸汽產(chǎn)量、功率輸出、 熱效率等主要參數(shù)上都收益頗多m ，。但也有部分機(jī)組出現(xiàn)了如進(jìn)氣導(dǎo)葉腐 蝕加劇、葉片水蝕、喘振裕度減少等問題“。 我國(guó)對(duì)濕壓縮技術(shù)的研究起步比較晚，但在國(guó)外研究的基礎(chǔ)上，國(guó)內(nèi) 也投入了一定的人力物力對(duì)濕壓縮進(jìn)行理論研究和實(shí)驗(yàn)研究，并且取得了 一定的成果。上個(gè)世紀(jì)6 0 年代陳大燮教授綜合分析了濕壓縮的優(yōu)點(diǎn)，并 6 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 且提出了在空氣壓縮過程中不斷噴入水，使空氣達(dá)到飽和狀態(tài)的噴水技術(shù) 的優(yōu)越性“”。上個(gè)世紀(jì)8 0 年代到9 0 年代，曾有人對(duì)活塞式和螺桿式壓氣 機(jī)進(jìn)行噴水濕壓縮試驗(yàn)和理論研究，研究表明濕壓縮可以減少壓縮功m “。 哈爾濱7 0 3 研究所、哈爾濱工業(yè)大學(xué)都進(jìn)行了一定的研究工作，進(jìn)行了熱 力學(xué)分析和實(shí)驗(yàn)研究m w 。 哈爾濱工程大學(xué)渦輪機(jī)實(shí)驗(yàn)室從1 9 9 5 年開始進(jìn)行濕壓縮研究，先后 開展了燃?xì)廨啓C(jī)濕壓縮的理論循環(huán)分析和試驗(yàn)研究，得到相當(dāng)多的理論和 實(shí)驗(yàn)結(jié)果( 見文獻(xiàn)2 5 4 3 ) 。理論方面主要包括濕壓縮機(jī)理分析、濕壓縮 對(duì)壓縮系統(tǒng)和燃機(jī)裝置性能影響分析等。初步研究液滴在壓氣機(jī)內(nèi)的傳熱 傳質(zhì)蒸發(fā)過程，建立濕壓縮過程的熱力學(xué)模型，分析噴水量在不同壓比， 不同初溫對(duì)燃機(jī)性能的影響，得出了一些具有指導(dǎo)意義的結(jié)論。 但在如何確定最佳噴水量和噴水對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)穩(wěn)定工作的影響上，研究 者們并沒有得到廣泛的共識(shí)，它們將繼續(xù)成為研究的熱點(diǎn)問題和難點(diǎn)問題 “。濕壓縮的長(zhǎng)期負(fù)面效應(yīng)如葉片腐蝕加劇等剛剛在一些機(jī)組上體現(xiàn)出 來，將推進(jìn)濕壓縮技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。 1 4 濕壓縮的數(shù)值模擬 隨著濕壓縮技術(shù)應(yīng)用的增加，計(jì)算流體力學(xué)與計(jì)算傳熱學(xué)的迅速進(jìn) 步，加上計(jì)算機(jī)商業(yè)軟件的廣泛應(yīng)用，加濕后流場(chǎng)的數(shù)值分析和模擬是必 然的發(fā)展趨勢(shì)。由于試驗(yàn)的花費(fèi)巨大、周期長(zhǎng)，應(yīng)用濕壓縮技術(shù)后壓氣機(jī) 性能的預(yù)估和工程設(shè)計(jì)將主要依靠數(shù)值模擬而不是靠大量試驗(yàn)調(diào)試來解 決，這將促進(jìn)燃?xì)廨啓C(jī)工作的可靠性、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性的提高，對(duì)濕壓縮 技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用具有重要的實(shí)際意義和工程價(jià)值。濕壓縮數(shù)值模擬主要 包括進(jìn)氣加濕流場(chǎng)模擬、壓氣機(jī)流場(chǎng)模擬、級(jí)間加濕流場(chǎng)模擬。由于壓氣 機(jī)本身數(shù)值模擬難度已經(jīng)很大，特別是多級(jí)軸流壓氣機(jī)生成網(wǎng)格數(shù)量巨 大，對(duì)計(jì)算機(jī)的要求很高，再加上顆粒相的傳熱傳質(zhì)過程就更加復(fù)雜，僅 有對(duì)單級(jí)進(jìn)行計(jì)算的文獻(xiàn)。 美國(guó)人t h o m a sm e ei i i 等對(duì)裝有其公司噴霧加濕裝置的燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn) 氣部分進(jìn)行了數(shù)值模擬，分別給出了顆粒流線、顆粒速度、消聲器擾流等 圖示，結(jié)論是模擬能給出設(shè)計(jì)的噴霧系統(tǒng)的流動(dòng)細(xì)節(jié)、顆粒存留時(shí)間和進(jìn) 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 入壓氣機(jī)顆粒大小、積水位置等，給噴嘴位置的布置提供了重要信息，對(duì) 改進(jìn)噴霧系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了詳細(xì)資料m 。哈爾濱7 0 3 研究所的林楓博士對(duì)進(jìn) 氣用霧化式蒸發(fā)冷卻器進(jìn)行了兩相流數(shù)值模擬，在文獻(xiàn) 2 2 中給出了詳細(xì) 的計(jì)算過程和結(jié)果，結(jié)論是歐拉一拉格朗日方法模擬精度較好、水的霧化 粒度對(duì)蒸發(fā)式冷卻器性能有較大影響。哈爾濱工程大學(xué)碩士研究生譚美苓 同學(xué)對(duì)小型離心壓氣機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的進(jìn)氣管道進(jìn)行了數(shù)值模擬，在文獻(xiàn) 4 1 中有詳細(xì)論述，其結(jié)論是濕壓縮能有效冷卻進(jìn)氣并有大量小水滴進(jìn)入壓氣 機(jī)。劉建成等人對(duì)級(jí)間噴水濕壓縮中冷進(jìn)行了單級(jí)數(shù)值模擬，其壓氣機(jī)葉 片物理模型采用g t 2 5 0 0 0 的第一級(jí)高壓壓氣機(jī)，計(jì)算了不同粒徑和噴水量 的加濕效果，給出了水滴在壓氣機(jī)中的流動(dòng)軌跡，原有壓力溫度場(chǎng)的變化。 其結(jié)論是在一定噴水量?jī)?nèi)隨著噴水量的增加單級(jí)的壓比、效率增加，小直 徑液滴的效果較好等“。 隨著在葉輪機(jī)械領(lǐng)域應(yīng)用商業(yè)軟件進(jìn)行數(shù)值模擬的愈加廣泛和成熟， 將會(huì)有更多的人對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)濕壓縮流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬研究，本文將對(duì)兩級(jí) 離心壓氣機(jī)濕壓縮實(shí)驗(yàn)臺(tái)的兩級(jí)壓氣機(jī)連接段管道進(jìn)行數(shù)值模擬，期望得 到內(nèi)部流場(chǎng)在噴水后的變化，檢驗(yàn)試驗(yàn)方案和預(yù)測(cè)試驗(yàn)結(jié)果。 1 5 本文的主要研究?jī)?nèi)容 本文的主要研究?jī)?nèi)容有： 1 燃?xì)廨啓C(jī)濕壓縮過程熱力學(xué)與傳熱傳質(zhì)分析 對(duì)于濕壓縮過程來說，由于存在水滴蒸發(fā)過程和兩相流問題，使得濕 壓縮過程的熱力學(xué)過程與干壓縮過程發(fā)生了很大的變化，本文對(duì)此作了一 定的分析。 2 在傳熱傳質(zhì)分析和軟件學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用f u e n t 軟件對(duì)兩級(jí)壓氣機(jī) 連接管道流體進(jìn)行兩相流的初步計(jì)算。以實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)設(shè)定邊界條件，進(jìn) 行單雙噴嘴數(shù)值模擬：比較了未噴水流場(chǎng)與噴水后的流場(chǎng)壓力、溫度變化 情況，得到噴水效果較好的結(jié)論；比較了不同位置噴水的結(jié)果，確定了外 側(cè)噴嘴位置噴水效果較好；比較了單雙噴嘴噴水的效果，得出使用雙噴嘴 效果較差的結(jié)論；分析了空氣流量和壓力、溫度、重力和顆粒直徑對(duì)流場(chǎng) 哈爾濱一e 程大學(xué)碩士學(xué)位論文 和出口顆粒直徑分布的影響。對(duì)實(shí)驗(yàn)方案選擇提供了預(yù)測(cè)分析，對(duì)將要進(jìn) 行的實(shí)驗(yàn)有一定指導(dǎo)作用。 3 小型離心式壓氣機(jī)濕壓縮臺(tái)實(shí)驗(yàn)研究與霧化技術(shù)研究 改進(jìn)設(shè)計(jì)了小型離心式壓氣機(jī)濕壓縮試驗(yàn)臺(tái)硬件與測(cè)控軟件系統(tǒng)，并 在此實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，進(jìn)行噴水比例相同多個(gè)轉(zhuǎn)速下且每個(gè)轉(zhuǎn)速下試驗(yàn)四個(gè)流量 點(diǎn)的壓氣機(jī)試驗(yàn)，以觀察壓氣機(jī)的進(jìn)口溫度，出口溫度，流量，壓比和耗 功等參數(shù)的變化，研究濕壓縮技術(shù)對(duì)壓氣機(jī)的特性線的影響。 直流閃蒸和漩渦閃蒸噴霧系統(tǒng)的研究，進(jìn)行了大量的噴嘴霧化試驗(yàn)， 得到噴嘴孔徑0 3 毫米，直流閃蒸在水溫度為1 9 9o c 壓力為6 m p a 時(shí)霧化 效果最好顆粒特征直徑為l o 5 4 t t m ，能滿足級(jí)間加濕實(shí)驗(yàn)臺(tái)的要求。直流 閃蒸產(chǎn)生的液霧量比較大，能進(jìn)行加濕量較大的實(shí)驗(yàn)，比較適合工程應(yīng)用。 在直流閃蒸的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了漩渦閃蒸實(shí)驗(yàn)，研究漩渦閃蒸的特性。 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 第2 章濕壓縮的熱力學(xué)分析與離散項(xiàng)模型 2 1 濕壓縮的概念 葉輪式壓氣機(jī)利用葉輪把原動(dòng)機(jī)的機(jī)械能加給氣體工質(zhì)，從而提高 氣體工質(zhì)的總壓( 靜壓和動(dòng)能) ，它的工作原理是建立在葉輪與工質(zhì)問的流 體動(dòng)量、能量交換以及葉輪中的能量轉(zhuǎn)換等基礎(chǔ)上的。 在熱力學(xué)上，壓縮過程在t s 圖上表示如下： 1 - - 2 t 為等溫過程 1 2 為實(shí)際干壓縮 1 2 s 為等熵過程 1 + 2 w 為濕壓縮過程 圖2 1 壓縮過程的溫熵圖 等熵壓縮過程中不存在損失及熱交換，此時(shí)壓縮過程所消耗的功在 t - s 圖上可以用面積b 2 s 2 t a b 表示；而實(shí)際壓縮過程所消耗的功在t - s 圖 表示為d 2 2 t a d 。兩者之間的面積差d 2 2 s b d ，它是由過程線1 - 2 以上的面積 2 2 w 2 s 1 2 及其以下的面積d 2 1 b d 兩部分組成。由熱力學(xué)第二定律可知面積 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 d 2 1 b d 表示克服摩擦力所損失的功，稱之為流動(dòng)損失功；面積2 2 w 2 s 1 2 所 表示的功稱為熱阻，熱阻損失的物理意義是：在實(shí)際壓縮過程，由于流動(dòng) 損失對(duì)氣體的加熱，使得氣體的體積增大而額外增加的壓縮功。 從圖2 1 可以看出，向壓氣機(jī)通流部分噴入霧化水就是通過水滴的蒸 發(fā)吸熱來冷卻壓氣機(jī)內(nèi)的空氣使其比容降低，減少熱阻損失。在濕壓縮過 程中，壓縮流體中不但含有空氣，還包括水蒸汽，所以壓縮功應(yīng)是空氣的 壓縮功和水蒸汽的壓縮功的總和。水滴的蒸發(fā)是一個(gè)連續(xù)過程，水滴的蒸 發(fā)量直接影響空氣溫度降低的程度，濕壓縮過程同樣存在一個(gè)理想過程。 理想濕壓縮過程是一個(gè)極限的濕壓縮過程，相對(duì)于干壓縮，水的加入，使 得壓縮過程發(fā)生了很大的變化，由于液態(tài)水的熵值遠(yuǎn)小于等溫水蒸汽的熵 值，所以不能沿襲干壓縮的定義方法定義理想濕壓縮。為定義理想濕壓縮， 作出以下假設(shè)： 1 理想濕壓縮，每一點(diǎn)空氣的相對(duì)濕度都是1 0 0 ，達(dá)到最大的加濕量。 2 噴水后不影響干壓縮的效率，但不忽略噴水摻混、蒸發(fā)所帶來的損失。 因此定義理想濕壓縮過程為：在壓縮過程中，噴入的水的蒸發(fā)使壓 縮空氣的相對(duì)濕度始終是1 0 0 的壓縮過程。 對(duì)于壓比一定、效率一定的干壓縮過程，按照上述定義的理想濕壓 縮的加濕量是唯一確定的。較小的加濕量， 降低了效率，使實(shí)際濕壓縮 偏離了理想濕壓縮過程。 與干壓縮一樣濕壓縮也有效率的問題。在濕壓縮過程中水滴的蒸發(fā) 量和壓縮流體的相對(duì)濕度與壓氣機(jī)內(nèi)流體的壓力、溫度等有著直接的聯(lián) 系。對(duì)于同一個(gè)壓氣機(jī)來說，對(duì)于不同的工況，濕壓縮效果都是不同的。 在相同壓比的情況下，理想濕壓縮的耗功量有可能小于理想等熵干壓縮所 消耗的功，使等價(jià)絕熱效率超過1 0 0 ，不符合工程分析的常規(guī)。所以有 必要對(duì)壓氣機(jī)的濕壓縮過程效率進(jìn)行重新定義。濕壓縮過程中，不斷地向 壓氣機(jī)進(jìn)口和級(jí)間噴水，如果液態(tài)水在壓氣機(jī)出口能完全蒸發(fā)變成水蒸 汽，由于水蒸汽和液態(tài)水的熵值相差很大，而且水蒸汽和空氣的摻混使熵 值增高， 因此理想濕壓縮過程不能再作為等熵過程來處理了。根據(jù)理想 濕壓縮的概念，可如下式定義濕壓縮效率： 驢靜 ( 2 _ 1 ) 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 式中：阡，w ，理想濕壓縮功，h 0 實(shí)際濕壓縮功 此效率公式反映了實(shí)際濕壓縮過程和理想濕壓縮過程的接近程度。 2 2 濕壓縮過程中的傳質(zhì) 2 2 1 傳質(zhì)的基本原理 物質(zhì)間的傳質(zhì)可分為分子擴(kuò)散和對(duì)流傳質(zhì)。當(dāng)體系中某一組元的濃度 分布不均勻時(shí)，由高濃度區(qū)遷出該組元分子( 原子) 數(shù)目將比低濃度區(qū)遷 出的分子( 原子) 數(shù)目多，使兩區(qū)的濃度差減弱，這種由于體系中存在某 組分濃度差引起的傳輸稱為擴(kuò)散傳質(zhì)。而對(duì)流傳質(zhì)為在運(yùn)動(dòng)著的流體和界 面之間，或者在兩個(gè)不相混合的運(yùn)動(dòng)著的流體之間的質(zhì)量傳遞。 在傳質(zhì)學(xué)上由分子擴(kuò)散系數(shù)來表示物質(zhì)的擴(kuò)散能力。即沿?cái)U(kuò)散方向， 在單位時(shí)間內(nèi)每單位濃度降的情況下，通過單位表面積所擴(kuò)散的某物質(zhì)質(zhì) 量。分子擴(kuò)散系數(shù)又簡(jiǎn)稱擴(kuò)散系數(shù)m ，它是物質(zhì)特性常數(shù)之一。由擴(kuò)散通 量方程可知，無論是哪種類型的擴(kuò)散，其擴(kuò)散通量均可表示為：“( 擴(kuò)散 通量) = 一( 擴(kuò)散系數(shù)) ( 濃度梯度) ”的形式，由此可見，擴(kuò)散系數(shù)是計(jì)算分 子擴(kuò)散通量的關(guān)鍵。物質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)可由實(shí)驗(yàn)測(cè)得，或從有關(guān)資料中查得， 有時(shí)也可由一些經(jīng)驗(yàn)公式估算。一般來說，擴(kuò)散系數(shù)與系統(tǒng)的溫度、壓力、 濃度以及物質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)。對(duì)于雙組分氣體混合物，組分的擴(kuò)散系數(shù)在低 壓下與濃度無關(guān)，只是溫度及壓力的函數(shù)，可應(yīng)用經(jīng)典氣體分子運(yùn)動(dòng)論導(dǎo) 出- ”。 對(duì)流傳質(zhì)的速度方程與牛頓冷卻定律類似，可以表示為： n = 丘v c ( 2 - 2 ) 式中。一對(duì)流傳質(zhì)的摩爾通量，k m o l ( m2 s ) 足。一對(duì)流傳質(zhì)系數(shù)，k m o l ( m 2 s ) v c 。一組分a 在界面處的濃度與主流體濃度之差，k m o l m 對(duì)流傳質(zhì)過程是由兩種作用完成的：一是對(duì)流傳遞作用；二是分子擴(kuò) 散作用。 1 2 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 2 2 濕壓縮過程中液滴的蒸發(fā)模型 在壓縮過程中，一定量的可以實(shí)現(xiàn)的足夠小的水滴顆粒的蒸發(fā)，將會(huì) 使壓縮過程的出口溫度有所降低，并且最終導(dǎo)致的結(jié)果是節(jié)省壓縮功，提 高效率。 液滴在壓氣機(jī)內(nèi)的蒸發(fā)速率模型到目前為止基本上分為兩類。下面將 分別介紹這兩種蒸發(fā)模型： 1 以度差( 如密度差、壓力差等) 作為傳質(zhì)驅(qū)動(dòng) 在濕壓縮過程中，空氣處于流動(dòng)狀態(tài)，此過程發(fā)生對(duì)流傳質(zhì)。對(duì)流傳 質(zhì)過程由兩種作用完成：一方面由于濃度梯度的存在，液滴以分子擴(kuò)散的 方式進(jìn)行傳遞；另一方面，空氣在運(yùn)動(dòng)過程中，液滴也必然將從一處向另 一處傳遞。所以，液滴與空氣間的對(duì)流傳質(zhì)速率除了與分子傳遞有關(guān)系， 還受空氣流動(dòng)的影響?？紤]到濕壓縮過程是發(fā)生在壓氣機(jī)內(nèi)，所以作者們 研究的濕壓縮是強(qiáng)制對(duì)流傳質(zhì)。 液滴的傳質(zhì)速率為： d m d t = 。( p 。一p 。) 4 或d m d t = 茜( p ，一p 。) 一 ( 2 3 ) 兒j 式中：k ，一對(duì)流傳質(zhì)系數(shù)，m s ； m 一液滴質(zhì)量，k g ； p ，一液滴表面的水蒸汽分壓力，p a ； p 。一空氣主流中水蒸汽的分壓力，p a ； 一一液滴表面積，i n 2 ，a = n d 。2 ； d 一液滴直徑，m ； 因此計(jì)算液滴的蒸發(fā)速率的關(guān)鍵是確定液滴與空氣間的對(duì)流傳質(zhì)系 數(shù)，而對(duì)流傳質(zhì)系數(shù)的確定往往是非常復(fù)雜的，尤其對(duì)于湍流傳質(zhì)，由于 其機(jī)理未知，尚不能用分析方法求解，一般用由經(jīng)驗(yàn)公式或類比的方法計(jì) 算對(duì)流傳質(zhì)系數(shù)。 由 鼢：華：2 + o 6 。如”妒” d 吲 可以得出傳質(zhì)系數(shù)為： t ：墜堂簿業(yè)( 2 - 4 ) d p 式中： k 。一對(duì)流傳質(zhì)系數(shù)，m s ； d 。一液滴直徑，m ； d 一分子擴(kuò)散系數(shù)，m 2 s ，本文根據(jù)文獻(xiàn) 4 7 得到分子擴(kuò)散 系數(shù)d = 2 0 9 x 1 0 - 5 1 0 1 3 2 5 ( ：，t _ _ l 朋1 1 ” r 。一液滴的雷諾數(shù)，r 。：d p u p ； s c 一流體的施密特準(zhǔn)數(shù)； 當(dāng)把液滴看成是理想球體時(shí)，則a = 蒯：，將式( 2 4 ) 代入式( 2 3 ) 得到 單個(gè)液滴蒸發(fā)速率為： d m d t = 2 0 9 x 1 0 - s 州竺竽) ( 嘉5 ( 型號(hào)筍盟 ( 2 - 5 ) 如果在壓氣機(jī)的進(jìn)口噴入z 個(gè)粒徑為d 。的水滴顆粒，那么噴入的水的 蒸發(fā)速率為： 撕) d r = 2 0 9 x 1 0 - s x 州衛(wèi)筍) ( 南”5 ( 曠) 型魚i 芋 y 盟 p zj 1 3 ， ( 2 - 6 ) 2 以v ( 一t ) 作為傳質(zhì)驅(qū)動(dòng)勢(shì)( 其中為化學(xué)勢(shì)，t 為溫度) 下面采用非平衡熱力學(xué)原理的廣義熱力學(xué)力v ( 一p r ) 作為傳質(zhì)的驅(qū)動(dòng) 勢(shì)，則液滴向空氣主流的蒸發(fā)速率為： 警卻c c 等一等m 等一爭(zhēng)- 4 _ 7 ， 式中：正，l 一分別為水滴和空氣主流的溫度 1 4 哈爾濱t 程大學(xué)碩士學(xué)位論文 “。 一 液滴表面水蒸汽的化學(xué)勢(shì)( 正所對(duì)應(yīng)飽和蒸汽化學(xué)勢(shì)) “一水滴的化學(xué)勢(shì) 。一空氣中水蒸汽的化學(xué)勢(shì) a 一液滴表面積 魯一譬表示水分子由液滴內(nèi)部向液滴表面遷移的驅(qū)動(dòng)勢(shì) 11 l 了* l s 一譬一表示水分子由液滴表面向空氣主流遷移的驅(qū)動(dòng)勢(shì) 1 貼近液滴表面的蒸汽可以認(rèn)為處于飽和狀態(tài)，水滴的蒸發(fā)速率實(shí)際上 只受液滴表面向空氣主流遷移的驅(qū)動(dòng)勢(shì)的影響，為此( 2 7 ) 式可簡(jiǎn)化為 了d m ：b ( 譬一譬) 爿 ( 2 8 ) 出 、正7 7 式中：b 一以v ( 一t t ) 為驅(qū)動(dòng)勢(shì)時(shí)水蒸汽在空氣中的傳質(zhì)系數(shù)，單位為 k g k s m 4 如果將水蒸汽看作理想氣體，則( 2 8 ) 式可寫為 魯卸降一等+ ( c p , - r , ) l n 地- n 等卜 c z 式中：h 。，液滴表面飽和蒸汽的焓 h 。一空氣主流中水蒸汽的焓 c 。一水蒸汽的定壓比熱容 月。一水蒸汽的氣體常數(shù) n ，一液滴表面飽和蒸汽的密度 p r o , 一空氣主流中水蒸汽的密度 b 由實(shí)驗(yàn)確定比較困難，在濕壓縮過程中，工質(zhì)工作的壓力范圍為 0 1 3 5 m p a ，溫度范圍為環(huán)境溫度至4 0 0 攝氏度，如果通過實(shí)驗(yàn)來確定 b ，工作難度和工作量都非常大，為此本文選用文獻(xiàn) 2 3 ，根據(jù)濕球溫度 下水滴和空氣的傳熱傳質(zhì)平衡分析所得擬合公式b ，其表達(dá)式如下： b = b o 尾 ( 2 - 1 0 ) 其中 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 卜，：s ( 糕廣例”1 些爿卜幾) ” 2 x 1 0 6 土一上1 + 1 2 0 0 1 n t m + 胄。l n 墮 l 五乙j 正 3 p 。 式中： n 。一液滴表面水蒸汽的密度 p 。，一空氣中水蒸汽的密度 r 。一水蒸汽氣體常數(shù) p 一空氣總壓力 ( 2 一1 1 ) p 。；一空氣主流中水蒸汽的分壓力 成為以密度差為驅(qū)動(dòng)勢(shì)時(shí)水蒸汽在空氣中的傳質(zhì)系數(shù)，其計(jì)算由半 經(jīng)驗(yàn)公式給出： 舶：華辦o 6 盯坨” d “ 。 ( 2 - 1 2 ) 由于濕壓縮中的液滴很小，與主流空氣沒有速度滑移，因l i t r e 為零， 所以以：_ 2 d c ( 2 - 1 3 ) “p 當(dāng)把液滴看成是理想球體時(shí)，一= 蒯；時(shí)，將式( 2 9 ) 、( 2 1 3 ) 式代入 式( 2 8 ) 得到單個(gè)液滴蒸發(fā)速率為： 警= z 加4 風(fēng)i l 爭(zhēng)i h + ( c p , - r 。) l n 7 枷。- n 瓦p l sj c z l a ， 如果在壓氣機(jī)的進(jìn)口噴入x 個(gè)粒徑為d 。的水滴顆粒，那么噴入的水的 蒸發(fā)速率為： 挈瑚州a 陪1 - + ( c ，, - r , ) l n 7 枷，m 瓦p l s ( 2 - 1 5 ) 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 3 濕壓縮對(duì)壓氣機(jī)參數(shù)的影響 濕壓縮技術(shù)是在壓氣機(jī)處于一定工況運(yùn)行( 質(zhì)量流量、壓比保持不變) 時(shí)向壓氣機(jī)噴入大量的水滴顆粒，利用水滴顆粒汽化吸熱，降低壓氣機(jī)出 口溫度，達(dá)到節(jié)省功的目的。雖然加入的液滴顆粒很小，忽略流動(dòng)損失的 增加，但由于顆粒在流場(chǎng)里吸熱蒸發(fā)，使得空氣主流的壓力、溫度要發(fā)生 相應(yīng)的變化，這樣勢(shì)必會(huì)對(duì)壓氣機(jī)的運(yùn)行點(diǎn)有一定的影響。噴水前后壓氣 機(jī)工作點(diǎn)的改變主要與以下因素有關(guān)： 1 在壓氣機(jī)進(jìn)口噴入霧化水，水滴在壓縮過程中吸收熱量而蒸發(fā)，壓 氣機(jī)的工質(zhì)由干空氣變?yōu)闈窨諝? 工質(zhì)的性質(zhì)發(fā)生變化) ，因此，壓氣機(jī) 特性也隨之改變。而且隨著噴水量不同，噴水后的壓氣機(jī)特性( 即稱為濕 壓氣機(jī)特性) 也不同。由于噴水后壓氣機(jī)特性的改變，從而改變噴水前后 壓氣機(jī)的工作點(diǎn)。 2 噴水后降低了壓氣機(jī)進(jìn)口溫度。由相似?；碚摽芍酆狭髁?和折合轉(zhuǎn)速不變，當(dāng)壓氣機(jī)進(jìn)口溫度下降時(shí)，物理流量增加，物理轉(zhuǎn)速減 少，從而改變噴水前后壓氣機(jī)的工作點(diǎn)。 下面通過噴水后壓氣機(jī)流量、壓比的變化來確定運(yùn)行點(diǎn)的變化情況。 壓氣機(jī)的流量分為質(zhì)量流量和容積流量。在濕壓縮過程中，一方面由 于水蒸汽的出現(xiàn)，有使容積流量增大的趨勢(shì)，而伴隨水蒸汽出現(xiàn)的吸熱， 結(jié)果使得容積流量減小。由于水蒸汽的汽化潛熱高于空氣定壓比熱2 0 0 0 倍以上，從而使得后一種趨勢(shì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于前一種趨勢(shì)。所以綜合考慮容積流 量呈減小趨勢(shì)。但在工程上所關(guān)心的是質(zhì)量流量的變化。在濕壓縮過程中 的流體是濕空氣和小水滴的混合物，水的密度是空氣密度的將近1 0 0 0 倍， 而且空氣中水的加入降低了其溫度，這兩個(gè)因素都會(huì)增加空氣的密度。因 此要確定質(zhì)量流量的變化，就要取決于容積流量減小以及空氣密度增大的 趨勢(shì)哪一個(gè)更大了。從濕壓縮試驗(yàn)過程觀察得，空氣質(zhì)量流量是增加的， 所以說明了密度變化的更大一些。 在壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速一定的情況下，容積流量減小則流量系數(shù)妒減小，沖角 f 增大，由壓氣機(jī)葉柵的沖角特性可知，葉柵氣流轉(zhuǎn)折角印越大，葉柵對(duì) 氣流加功能量增強(qiáng)。經(jīng)過良好設(shè)計(jì)的壓氣機(jī)工作在阻力系數(shù)q 和總壓損 哈爾溟工程火學(xué)碩士學(xué)位論文 失系數(shù)口變化平緩區(qū)間中，當(dāng)向壓氣機(jī)噴水使得妒減小，f 增大時(shí)，從而 使盧直線上升，而這時(shí)c ，和萬基本不變，即增壓能力得到很大增強(qiáng)而損 失系數(shù)變化不大，顯然壓氣機(jī)壓比要提高。在實(shí)際情況中，噴水后c ，和萬 的變化要比理想的大，但只要不嚴(yán)重過量噴水引起脫流，損失的增加仍不 能淹沒口上升所引起的壓比升高。 除沖角變化影響壓氣機(jī)壓比之外，水滴在基元級(jí)內(nèi)部的蒸發(fā)冷卻作用 仍對(duì)增壓能力有一定影響。 對(duì)于反動(dòng)度q 0 ，根據(jù)絕對(duì)坐標(biāo)系下動(dòng)葉柵內(nèi)氣流的廣義伯努利方 程： h ：f 生+ 曼警+ h ，( 2 - 1 6 ) p z 式中：h 一理論功o c 1 ，c 2 - - 級(jí)前，后氣流絕對(duì)速度； 打一損失功； 該方程是在普遍適用條件下導(dǎo)出的，適合于有不可逆能量損失的實(shí)際 情況。 基元級(jí)理論功的表達(dá)式為： 廳：i v 2 - w ? + 竺2 2 二! 1 2 + 竺2 2 二! 1 2 ( 2 - 1 7 ) 222 式中：，一級(jí)前，后氣流相對(duì)速度； u ，一級(jí)前，后周向速度； 由方程( 2 1 6 ) 和( 2 - 1 7 ) 可得： 當(dāng)：二墮+ 竺2 二當(dāng)2 ：廣塑+ h r ( 2 - 1 8 ) 22 4 p 為了簡(jiǎn)化討論，考慮無能量損失h r = 0 的理想情況。同時(shí)考慮葉柵前 后密度變化不大，將密度取平均值以= 華，則將式( 2 一j 7 ) 變化為： 二 業(yè)。：鯉二墮p o ( u ；- v ? ) ( 2 - 1 9 ) 22 由于級(jí)內(nèi)液滴蒸發(fā)冷卻，使得級(jí)出i ：1 容積流量減小，壓縮功降低，從 而使下降，u ：變化不大，因此，郵：增加。 哈爾濱：j = 程大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 4 離散相模型概述與其應(yīng)用范圍 除了求解連續(xù)相的輸運(yùn)方程，f l u e n t 也可以在拉氏坐標(biāo)下模擬流場(chǎng) 中離散的第二相。由球形顆粒( 代表液滴或氣泡) 構(gòu)成的第二相分布在連 續(xù)相中。f l u e n t 可以計(jì)算這些顆粒的軌道以及由顆粒引起的熱量質(zhì)量傳 遞。相間耦合以及耦合結(jié)果對(duì)離散相軌道、連續(xù)相流動(dòng)的影響均可考慮進(jìn) 去。 f l u e n t 提供的離散相模型選擇如下：對(duì)穩(wěn)態(tài)與非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，可以應(yīng) 用拉氏公式考慮離散相的慣性、曳力、重力；預(yù)報(bào)連續(xù)相中，由于湍流渦 旋的作用而對(duì)顆粒造成的影響；離散相的加熱冷卻；液滴的蒸發(fā)與沸騰： 連續(xù)相與離散相間的耦合；液滴的迸裂與合并。 應(yīng)用這些模型，f l u e n t 可以模擬各種涉及離散相的問題，諸如：顆粒 分離、噴霧干燥、氣溶膠擴(kuò)散過程、液體中氣泡的攪渾、液體燃料的燃燒。 2 4 1 湍流中的顆粒 隨機(jī)軌道模型或顆粒群模型可考慮顆粒湍流擴(kuò)散的影響。在隨機(jī)軌道 模型中，通過應(yīng)用隨機(jī)方法來考慮瞬時(shí)湍流速度對(duì)顆粒軌道的影響。而顆 粒群模型則是跟蹤由統(tǒng)計(jì)平均決定的一個(gè)“平均”軌道。顆粒群中的顆粒 濃度分布假設(shè)服從高斯概率分布函數(shù)( p d f ) 。兩種模型中，顆粒對(duì)連續(xù) 相湍流的生成與耗散均沒有直接影響。 2 4 2 應(yīng)用范圍 l - 顆粒體積分?jǐn)?shù)的適用范圍 f l u e n t 中的離散相模型假定第二相( 分散相) 非常稀薄，因而顆粒一 顆粒之間的相互作用、顆粒體積分?jǐn)?shù)對(duì)連續(xù)相的影響均未加以考慮。這種 假定意味著分散相的體積分?jǐn)?shù)必然很低，一般說來要小于1 0 1 2 。但顆粒 質(zhì)量承載率可以大于1 0 一1 2 ，即用戶可以模擬分散相質(zhì)量流率等大于連 續(xù)相的流動(dòng)。 1 9 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 模擬連續(xù)相中懸浮顆