بررسی جریان چگالشی بخار در گذرگاه پره های یک توربین همراه با نازل ورودی مرطوب

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 نویسنده مسئول و دانشیار، گروه مکانیک، تبدیل انرژی، دانشکده مهندسی دانشگاه فردوسی مشهد؛

2 استاد، گروه مکانیک، تبدیل انرژی، دانشکده مهندسی دانشگاه فردوسی مشهد؛

3 استادیار، گروه مکانیک، تبدیل انرژی، دانشکده فنی و مهندسی دانشگاه تربیت معلم سبزوار؛

چکیده

بخار با انبساط سریع در شیپوره­ها و نیز گذرگاه پره­های توربین، فوق سرد می­شود؛ بخار فوق سرد مستعد جوانه­زایی  هموژن است و فرآیند چگالش به طور معمول به صورت لحظه­ای و به وسیله شوک چگالش که موجب تلفات ترمودینامیکی و آئرودینامیکی است، انجام می­گیرد. به این ترتیب، با تشکیل قطرات و در نتیجه کاهش انرژی گیبز، تعادل ترمودینامیکی برقرار می­شود. برای حل دوبعدی جریان گفته شده، معادلات بقاء با معادلات حاکم بر تشکیل و رشد قطرات ترکیب شده و از روش تایم­مارچینگ جیمسون مبنی بر حجم کنترلی و طرح مغشوش بالدوین - لوماکس استفاده شده است. برای بررسی اعتبار روش تدوین شده، توزیع فشار در امتداد مسیر یک شیپوره و نیز گذرگاه پره­های یک توربین و همچنین اندازه قطرات در انتهای هر دو هندسه محاسبه و با مقادیر تجربی موجود مقایسه شده­اند که برابری خوبی بین نتایج عددی و داده­های تجربی گزارش شده است. با توجه به اعتبار روش تدوین شده، بررسی تئوریک برای کنترل شدت و موقعیت شوک میعان در گذرگاه      پره­های یک توربین ازراه پاشش قطرات در ورودی انجام شده است. برای این کار یک شیپوره همگرا در بالا دست پره توربین در نظر گرفته شده است و نتایج به دست آمده از حل عددی نشان می­دهند که وجود قطرات با اندازه مناسب در ورودی گذرگاه پره­های توربین سبب ضعیف شدن  و به تعویق افتادن شوک چگالش در گذرگاه پره­ها می­شود. 

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

An Investigation of Condensing Steam Flow in a Turbine Cascade with Injection of Water Droplets at Inlet

نویسندگان [English]

  • Ali Reza Teymourtash 1
  • Mohammad Reza mahpeykar 2
  • Esmaeil Lakzian 3
چکیده [English]

During the course of expansion of steam in a Laval nozzle and a cascade of turbine, the state path crosses the saturation line; the steam first supercools and then reverts to equilibrium through the spontaneous formation of droplets or condensation shock, which causes aerodynamics and thermodynamics losses. In this way by formation of droplets and so reducing Gibbs energy, equilibrium is reached. This paper describes a two-phase model and provides an approach for including spontaneous homogeneous nucleation. In order to solve conservation equations, coupled with the equations of formation and growth of the droplets, a 2-D time-marching solution scheme with Baldwin-Lomax turbulence model, was used in this study. Pressure distribution and droplets size in a Laval nozzle and a turbine cascade are predicted and compared with empirical results. In the strength of validation, the effect of injection of water droplets into the steam flow in order to control the intensity and location of condensation shock is considered theoretically. A converging nozzle is used to producing droplets at inlet of turbine cascade. The results illustrate that wet steam at inlet of a turbine cascade weakens or delays the condensation shock in the passage of the blades.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Supercooled
  • Nucleation
  • Condensation Shock
  • Wet Steam
  • Jameson
  • Baldwin-Lomax
  • Injection of Droplets

مراجع

[1] F. Bakhtar, M.T. Mohammadi Tochai, "An investigation of Two dimensional flows of nucleating and wet steam by the time - marching method" INT. J.Heat and Fluid Flow, Vol.2. No.1, pp. 5-18, (1980).
[2] F. Bakhtar, M.R. Mahpeykar, K.K. Abbas,"An investigation of nucleating flows of steam in a cascade of turbine balding-Theoretical treatment" Transactions of ASME Vol.117, pp. 138-144, (1995).
[3] A.J. White, J.B. Young, P.T. Walters, "Experimental validation of condensing flow theory for a stationary cascade of steam turbine blades", Proc. Royal Soc., A,354, 59-80, (1996).
[4] M.R. Mahpeykar, A. R. Teymourtash , ''An investigation of 2D-2phase flow of steam in a cascade of turbine blading by the time marching Method."Amir Kabir University ,Vol. 14 , No 56 , pp.254-269,(2003 ).
[5] M.J. Kermani , A.G. Gerber, "A general formula for the evaluation of thermodynamic and aerodynamic losses in nucleating steam flow." International Journal of Heat and Mass Transfer 46, pp. 3265–3278, (2003).
[6] S.Yamamoto, "Computation of practical flow problems with release of latent heat", Energy, 30 197–208 (2005).
[7] A.R. Avetissian a, G.A. Philippov a, L.I. Zaichik,"Effects of turbulence and inlet moisture on two-phase spontaneously condensing flows in transonic nozzles."International Journal of Heat and Mass Transfer 51,4195–4203(2008).
[8] A. R. Teymourtash ,J. Abolfazli Esfahani, S.A. Mousavi Shaegh," The effects of rate of expansion and injection of water droplets on the entropy generation of nucleating steam flow in a Laval nozzle ", Heat Mass Transfer, 45: pp.1185-1198, (2009).
[9] J.E.McDonald," Homogeneous nucleation of water vapor condensation ", I.Thermodynamics aspects ",Am.J.Phys.30, pp.870-877, (1963).
[10] W.G. Courtney, " Remarks on homogeneous nucleation" , J.chem.Phys,35,2249, (1961).
[11] A. Kantrowitz, "Nucleation in very rapid vapour expansion", f.chem.Phys. 19, 1097, (1951).
[12] G. Gyarmathy, "Bases for a theory for wet steam turbines", bull.No.6,Inst.for therm Turbomachines in
fed.Tech.Univ.Zurich, (1964).
[13] K. Zidi, "Spontaneous condensation in flowing high pressure steam", Ph. D thesis, Dep. Of Mechanical
Eng. University of Birmingham, England, (1981).
[14] W. Wagner, H. Joachim, Kretzschmar ,"International steam tables." Second edition, springer, ISBN 978-3-
540-21419-9, (2008 ).
[15] B.S. Baldwin, H. Lomax, , “Thin-layer approximation and algebraic model for separated turbulent flows”,
AIAA Paper 78-257, (1978).
[16] W. Rodi," Simulation of turbulence in practical flow calculations", Proc. ECCOMAS 2000, Barcelona,
(2000).
[17] A.R. Teymourtash, M.R. Mahpekar, "A blade to blade inviscid transonic flow analysis of nucleating steam in a turbine cascade by the Jameson’s time-marching scheme using body fitted grid." ,Journal of school of engineering , Ferdowsi University of Mashhad ,Vol.18,NO.1, (2006).
[18] A. Jamson, W. Schmidt, E. Turkel," Numerical solutions of the Euler equations by finite volume methods using Runge-Kutta time-stepping schemes."AIAA 14th Fluid and Plasma Dynamics Conference,Palo Alto, California , pp.1-14, (1981).
[19] M.J. Moore, P.T. Walters, R.I. Crane, B.J. Davidson, "Predicting the fog drop size in wet steam turbines", Institute of Mechanical Engineers (UK), Wet Steam 4 Conf., University of Warwick, paper C37/73, (1973).

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار