一种定制化的汽轮机叶片表面抗水蚀性能强化方法技术

本发明专利技术公开了一种定制化的汽轮机叶片表面抗水蚀性能强化方法，具体步骤如下：步骤S1：对待优化叶片进行叶片表面侵蚀特征数据分析，得到预测待优化叶片表面的水蚀多发区域；步骤S2：设计相应的表面防水蚀结构，并通过水蚀特性测试筛选有效的防水蚀结构；步骤S3：根据步骤S1的水蚀多发区域选择针对性的防水蚀结构。采用上述一种定制化的汽轮机叶片表面抗水蚀性能强化方法，通过模拟预测出水蚀多发区域，对叶片表面水蚀损伤多发区域针对性布置抗水蚀性能测试筛选出的防水蚀结构，提升叶片的抗水蚀能力，同时更具有针对性，仅在局部区域少量布置特殊结构，减少成本。减少成本。减少成本。

【技术实现步骤摘要】
一种定制化的汽轮机叶片表面抗水蚀性能强化方法


[0001]本专利技术涉及工业设备
，尤其是涉及一种定制化的汽轮机叶片表面抗水蚀性能强化方法。

技术介绍

[0002]未来新能源发电装机容量必然会迎来更大的增长，然而风电和光伏发电具有较强的间歇性与随机性，其大规模并网将对电网的安全稳定性带来巨大的挑战。为了应对电力系统新形势，燃煤电站承担的调峰任务越来越多，导致汽轮机组低负荷运行已成新常态。由此带来的一个重要问题是汽轮机通流部分的湿度增大，叶片水蚀现象频发，不仅会破坏叶型造成级效率下降，严重时还可能使叶片断裂，造成重大的运行事故。
[0003]一般而言，汽轮机叶片主要有主动式和被动式两种防水蚀措施。主动式防水蚀措施一般通过改善叶片型线来减小液滴几何尺寸及液滴量，或采用除湿装置排除有害液滴，利用旋转离心力在叶栅通道内除水、采用蜂窝汽封、采用级间抽汽等均是常见的除湿方法。而被动式防水蚀措施多是利用抗水蚀性能好的材料，强化处理动叶片出汽边或覆盖涂层进行保护，以确保在正常工作寿命内，叶片能够在长期的液滴冲刷下安全运行，该方法也是目前国内外各大汽轮机制造企业通常采用的手段。
[0004]虽然被动式防水蚀方法的应用非常广泛，但强化处理或涂层覆盖的保护效果有着较大的不确定性。在不同的运行工况下，有害液滴与叶片间的撞击行为存在很大的差异，导致水蚀发生区域都不尽相同。为了保证防水蚀效果，往往需要加大强化或涂层覆盖面积，这样也加大了叶片的制造加工成本。而且涂层的保护效果受工艺影响较大，有时会发生涂层脱落失去防护效果。为了减小成本，更加精准有效地提升叶片防水蚀效果，亟需一种针对性地解决实际汽轮机叶片的水蚀问题的方法。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种定制化的汽轮机叶片表面抗水蚀性能强化方法，通过模拟预测出水蚀多发区域，对叶片表面水蚀损伤多发区域针对性布置抗水蚀性能测试筛选出的防水蚀结构，提升叶片的抗水蚀能力，同时更具有针对性，仅在局部区域少量布置特殊结构，减少成本。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供了一种定制化的汽轮机叶片表面抗水蚀性能强化方法，具体步骤如下：
[0007]步骤S1：对待优化叶片进行叶片表面侵蚀特征数据分析，得到预测待优化叶片表面的水蚀多发区域；
[0008]步骤S2：设计相应的表面防水蚀结构，并通过水蚀特性测试筛选有效的防水蚀结构；
[0009]步骤S3：根据步骤S1的水蚀多发区域选择针对性的防水蚀结构并确定布置方案。
[0010]优选的，步骤S1具体为：
[0011]步骤S11：获取优化前末级叶片的模型及运行工况参数；
[0012]步骤S12：根据获得的运行工况参数对整个末级叶栅流道进行分析，模拟湿蒸汽在级内的流动特性与湿度分布特性，由于造成叶片水蚀损伤的主要是静叶尾缘附近被撕裂形成的二次水滴，分析得出静叶尾缘附近表面所沉积水膜的沉积及运动特性；
[0013]步骤S13：将静叶出口截面沿叶高方向分成多个截面，并将其作为动叶栅侵蚀特性模拟的入口，用于后续分别添加入口条件；
[0014]步骤S14：根据步骤S12中分析出的水膜沉积及运动特性，同时考虑主流蒸汽的剪切力、离心力及静叶动叶间的轴向间隙，分别计算各个截面所对应的液滴尺寸和液滴质量流量；
[0015]步骤S15：依据液滴群在动叶栅流道中的运动情况，在以该截面为入口的动叶栅流道中加入上述尺寸及流量的液滴群，参照入口截面主蒸汽流的运动情况及有害液滴与主流间的运动差异在相应截面添加液滴；
[0016]步骤S16：根据叶片材料的机械性能确定Finnie材料侵蚀修正模型的控制参数；通过液滴群在动叶栅流道中的运动情况与材料侵蚀修正模型，数值模拟得到动叶表面的局部侵蚀特性，具体表现为动叶表面的侵蚀率分布情况，从而确定叶片表面的水蚀多发区域。
[0017]优选的，所述运行工况参数包括转速、进口总压、进口总温、进口湿度以及出口压力。
[0018]优选的，步骤S2具体为：
[0019]步骤S21：设计若干防水蚀结构；
[0020]步骤S22：根据步骤S16中的侵蚀特性模拟获得叶片表面液滴撞击工况参数；
[0021]步骤S23：根据步骤S22中获得的液滴撞击工况参数，调节高速旋转水蚀测试系统中各部件参数及尺寸以适应目标水蚀研究工况；
[0022]步骤S24：采用累积体积损失与无量纲抗水蚀性能系数同时结合试件表面宏观形貌特征分析对不同表面结构的抗水蚀性能并进行强弱排序；
[0023]步骤S25：筛选出目标水蚀研究工况下最有效的防水蚀结构。
[0024]优选的，叶片表面液滴撞击工况参数包括撞击角度、相对撞击速度以及液滴直径；各部件参数包括液固撞击角度和液固撞击速度，调节尺寸包括液滴直径。
[0025]优选的，考虑液滴的尺寸设计若干防水蚀结构，若干防水蚀结构包括沟槽结构、条纹结构、球窝结构、球凸结构以及锯齿结构。
[0026]优选的，在步骤S24中，
[0027]无量纲抗水蚀性能系数计算公式为：
[0028]N
PE
＝(E1/E
10
+E2/E
20
)/2
[0029]其中，N
PE
为无量纲抗水蚀性能系数，E1、E2分别为不同材料对于同一种防水蚀结构试件的累积体积损失；E
10
、E
20
则分别为不同材料对平面试件的累积体积损失。
[0030]因此，本专利技术采用上述一种定制化的汽轮机叶片表面抗水蚀性能强化方法，具有以下有益效果：
[0031](1)相对于传统的叶片表面大面积强化或涂层覆盖被动式叶片防水蚀方法，本专利技术首先通过特征数据分析准确预测出叶片表面的水蚀多发区域，再进行定制化的局部表面结构布置强化，能够降低叶片制造加工成本，高效地、定制化地应对叶片水蚀损伤问题。
[0032](2)在模拟预测水蚀多发区域时，先对整级叶栅流道进行模拟以获取静叶出口截面的湿度分布及湿蒸汽流动特性，再将此截面作为入口截面并加入液滴群对单独的动叶栅流道进行模拟获取动叶表面侵蚀特性。较传统的模拟方法能够更加精准体现有害液滴的形成模式及运动轨迹，使得模拟结果更加具有可靠性。
[0033](3)选取静叶出口为动叶侵蚀模拟的入口截面，并根据其径向湿度分布将其分割成多个湿度不同的入口截面，针对性确定液滴尺寸及运动行为，使叶片侵蚀特性数值分析结果更加准确。
[0034](4)在特定工况下不同的有害液滴尺寸和液滴撞击行为，对防水蚀结构进行防水蚀性能测试，选出其中性能最优者进行局部布置应用。
[0035](5)在评估不同结构的抗水蚀性能时，不采取传统的最大侵蚀率评价或质量损失准则，本专利技术采用累积体积损失与无量纲抗水蚀性能系数对不同表面结构的抗水蚀性能强弱进行排序，更具工程应用价值。
[0036]下面通过附图和实施例，对本专利技术的技术方案做进一步的详细描述。
附本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种定制化的汽轮机叶片表面抗水蚀性能强化方法，其特征在于，具体步骤如下：步骤S1：对待优化叶片进行叶片表面侵蚀特征数据分析，得到预测待优化叶片表面的水蚀多发区域；步骤S2：设计相应的表面防水蚀结构，并通过水蚀特性测试筛选有效的防水蚀结构；步骤S3：根据步骤S1的水蚀多发区域选择针对性的防水蚀结构并确定布置方案。2.根据权利要求1所述的一种定制化的汽轮机叶片表面抗水蚀性能强化方法，其特征在于，步骤S1具体为：步骤S11：获取优化前末级叶片的模型及运行工况参数；步骤S12：根据获得的运行工况参数对整个末级叶栅流道进行分析，模拟湿蒸汽在级内的流动特性与湿度分布特性，由于造成叶片水蚀损伤的主要是静叶尾缘附近被撕裂形成的二次水滴，分析得出静叶尾缘附近表面所沉积水膜的沉积及运动特性；步骤S13：将静叶出口截面沿叶高方向分成多个截面，并将其作为动叶栅侵蚀特性模拟的入口，用于后续分别添加入口条件；步骤S14：根据步骤S12中分析出的水膜沉积及运动特性，同时考虑主流蒸汽的剪切力、离心力及静叶动叶间的轴向间隙，分别计算各个截面所对应的液滴尺寸和液滴质量流量；步骤S15：依据液滴群在动叶栅流道中的运动情况，在以该截面为入口的动叶栅流道中加入上述尺寸及流量的液滴群，参照入口截面主蒸汽流的运动情况及有害液滴与主流间的运动差异在相应截面添加液滴；步骤S16：根据叶片材料的机械性能确定Finnie材料侵蚀修正模型的控制参数；通过液滴群在动叶栅流道中的运动情况与材料侵蚀修正模型，数值模拟得到动叶表面的局部侵蚀特性，具体表现为动叶表面的侵蚀率分布情况，从而确定叶片表面的水蚀多发区域。3.根据权利要求2所述的一种定制化的汽轮机叶片表面抗水蚀性能强化方法，其特征在于：所述运行工况参...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢永慧，陈子峰，陈由翔，杨斌，张荻，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：