葉片表面超親水和超疏水特性對二次水滴形成影響的研究

周 騖， 蔡小舒， 吉 肖

（上海理工大學 顆粒與兩相流測量研究所，上海200093）

葉片的水蝕破壞是低壓汽輪機，尤其是核電低壓汽輪機運行中普遍存在的問題，嚴重影響其運行的安全性、可靠性和效率.目前，解決汽輪機水蝕問題的措施主要分為兩大類：第一類是主動防御型，積極采用各種內(nèi)部除濕技術(shù)［1］達到防水蝕的目的，如空心導葉抽吸、靜動葉表面槽道除濕、吹掃及加熱除濕法和隔板除濕裝置等，但上述方法存在結(jié)構(gòu)復雜或形成氣動損失等局限；第二類是被動防御型，主要是提高葉片表面的抗水蝕能力［2］，如對易受水蝕破壞區(qū)域加裝司特立合金，進行電火花或激光局部或全面強化淬硬等，但這些方法并沒有減少汽輪機內(nèi)二次水滴的數(shù)量以及降低蒸汽的濕度，且防御型材料造價昂貴.因此，有必要進一步探索減輕水蝕破壞的新方法，即從主動防御型的角度考慮減小二次水滴的尺寸或減少二次水滴的數(shù)量等措施，從而減輕葉片的水蝕.

造成葉片水蝕破壞的原因是濕蒸汽所攜帶的水滴對葉片形成沖刷.蒸汽在高速流動膨脹時會凝結(jié)形成尺寸很小的一次水滴，部分一次水滴沉積在靜、動葉柵上形成水膜，水膜在葉片尾緣被高速汽流撕裂和破碎，形成二次水滴.一次水滴粒度一般不大于1～2μm，與主汽流的跟隨性較好，基本不對葉片產(chǎn)生水蝕；二次水滴直徑可達數(shù)十至數(shù)百微米［3－4］，由于慣性大且汽輪機內(nèi)級間的軸向間隙小，二次水滴到達動葉時不可能被加速到主汽流的速度，并且流動方向與主汽流方向不同，從而以很大的相對速度和一定的負攻角撞擊動葉片進汽邊的吸力面，對葉片造成侵蝕［5］.

除了受被沖刷葉片的機械性能和表面性能的影響外，二次水滴的特性參數(shù)也是影響水蝕的重要因素，主要包括二次水滴粒徑、速度和撞擊角度［6－7］.而二次水滴的形成過程與水膜在葉片表面的形成、流動及在尾緣的脫離等密切相關(guān)，葉片材料的浸潤性能又通過表面張力和固液間黏附力對水膜特性產(chǎn)生重要影響.

筆者提出通過改變靜葉片界面特性來影響水膜的特性，從而減小二次水滴的粒徑以減輕水蝕的新設(shè)想.通過試驗研究普通表面、超疏水表面和超親水表面的水膜在氣流作用下在葉片尾緣破裂形成水滴的特性，以模擬汽輪機內(nèi)靜葉片表面水膜破裂形成二次水滴的過程.同時，搭建了水滴試驗臺，并采用單幀單曝光圖像法［8］測量了水滴直徑和速度，研究不同界面特性對所形成水滴的粒徑和速度的影響.

1 超親水表面和超疏水表面特性

試樣葉片與水的界面特性可以通過接觸角的大小來表征.接觸角是指在固－液－氣三相的交界處，由固－液界面經(jīng)過液體內(nèi)部至氣－液界面所形成的夾角.通常，固體表面與水的接觸角大于90°時，稱之為疏水表面，小于90°時稱之為親水表面.當固體表面與水的接觸角大于等于150°時，又稱為超疏水表面，小于等于15°時則稱為超親水表面.

超親水和超疏水表面由于具有特殊的浸潤性能，在液體輸送、涂料、防水、建筑和醫(yī)用材料等領(lǐng)域均有著重要的應(yīng)用，近年來已成為學者研究的熱點.超親水表面一般通過光催化TiO2或ZnO等材料形成［9］，能使水在表面快速鋪展、迅速蒸發(fā)，防止水滴在表面上黏結(jié)停留，從而具有防霧功能或自清潔效果.自然界中則通過形成超疏水表面來達到自清潔功能，最典型的如荷葉、昆蟲翅膀及水鳥的羽毛等，其表面眾多的微納結(jié)構(gòu)減少了固液接觸面積，從而可以顯著增強表面的疏水性.由此推測，具有自清潔效果的表面可以減少溪流的匯集，降低形成大水滴的概率，因此筆者就葉片與水的界面特性對二次水滴形成特性的影響進行研究，以探索減輕汽輪機低壓葉片水蝕破壞的新方法.

2 試驗系統(tǒng)

為研究超親水、普通和超疏水這3種表面上水膜在尾緣破裂形成水滴的過程，并對其粒徑和速度進行測量，搭建了水滴試驗臺，實物照片如圖1（a）所示.試驗臺包括水滴形成系統(tǒng)和測量系統(tǒng)，前者又分為風路系統(tǒng)和水路系統(tǒng)兩大部分.風路系統(tǒng)主要由離心風機、低速風洞、試驗段和空氣流量計構(gòu)成，風機轉(zhuǎn)速通過變頻調(diào)速器控制.試驗段管道設(shè)計為漸縮噴管，如圖1（b）所示，為了保證掠過試樣模擬葉片表面氣流的穩(wěn)定性，該管道的收縮段主要集中在前半部分，葉片安裝于穩(wěn)定段，采用螺栓固定.試驗段管道采用有機玻璃制造，垂直于光路的壁面設(shè)計為平面，以避免拍攝圖像失真.水路系統(tǒng)由水箱、水泵、液體流量計、葉片下表面的水室和連接管道組成.水箱中的水通過水泵增壓，通過液體流量計調(diào)節(jié)和計量后，采用葉片小孔滲水法在試樣模擬葉片表面形成水膜，即在葉片下表面設(shè)置水室，并在葉片和水室之間開小孔，如圖1（b）所示，利用水泵將水通過小孔擠壓到葉片上表面形成水膜.在高速空氣作用下，葉片表面的水膜在葉片尾緣被撕裂破碎形成水滴.

采用最直觀、可靠的顆粒測量方法——圖像法來捕捉水膜從葉片表面剝離和破碎的過程，并對水滴的粒徑和速度進行測量和統(tǒng)計.測量系統(tǒng)包括LED光源（50W）、遠心變焦鏡頭（Navitar 1－6232，放大倍率0.7～4.5）、CMOS相機（UI－5240CP－MGL，全幅幀率為50幀／s，分辨率為1 280×1 024，曝光時間為0.009～2ms可調(diào)）和計算機.選擇背光拍攝方案，采用最小曝光時間獲得“凍結(jié)”的水滴投影輪廓，處理得到水滴的等投影面積直徑.采用單幀單曝光方法［8］測量水滴速度，即通過適當延長曝光時間以獲得水滴的運動軌跡，后經(jīng)圖像處理得到速度大小.

圖1 水滴形成測量試驗臺及試樣Fig.1 Experimental setup for droplet formation and measurement

為比較不同界面特性對二次水滴形成的影響，準備了3種不同界面特性的試樣模擬葉片：表面經(jīng)過拋光處理的普通試樣模擬葉片、表面噴涂超親水涂層的超親水試樣模擬葉片、表面經(jīng)超疏水處理的超疏水試樣模擬葉片.采用SL200B標準型光學接觸角儀對上述3種表面進行測量，上述3種表面葉片與去離子水的接觸角分別為94°、12°和150°，如圖2所示，后2種葉片表面分別達到了超親水和超疏水表面的條件.

水膜被撕裂破碎形成二次水滴主要發(fā)生在葉片尾緣，因此影響二次水滴的葉型參數(shù)主要包括葉片尾緣幾何進氣角α2和尾緣楔形角γ2.為便于研究，將試樣模擬葉片簡化成縱向截面為三角形的薄片，薄片頂角為5°，與一般葉片尾緣楔形角接近.試樣安裝和外形如圖1（b）和圖1（c）所示.水從試樣的小孔滲出后，沿氣流方向形成水膜流向試樣模擬葉片尾緣.

圖2 不同試樣模擬葉片表面的接觸角Fig.2 Surface contact angle of different simulation blades

3 數(shù)字圖像處理

3.1 圖像預處理

圖像預處理是后續(xù)各項處理的基礎(chǔ)，對研究目標進行適當?shù)念A處理（如灰度轉(zhuǎn)換、圖像分割、圖像填充或去噪等）有利于后續(xù)圖像的處理和識別.

試驗拍攝獲得的典型水滴圖片如圖3（a）所示，為256級灰度圖片.由于采用背光拍攝，水滴在圖像中呈黑色，背景光源為白色（圖中排列整齊的亮點即為LED燈珠）.預處理時首先對圖像進行灰度轉(zhuǎn)換，如圖3（b）所示.

圖像分割可以把表示目標具體情況的、性質(zhì)不同的和在不同區(qū)域中的目標分離出來，然后形成數(shù)字特征.閾值法是一種最簡單有效的圖像分割法，即利用特定的閾值來區(qū)別圖像物體和背景，它又可以分為全局閾值方法和局部閾值方法.筆者選取應(yīng)用廣泛的最大類間方差法（OTSU 法）［10］和Bernsen方法［11］進行比較，結(jié)果如圖3（c）和圖3（d）所示，可見采用全局閾值的OTSU法對光照不均勻、噪聲干擾較小圖像的分割效果明顯較差，而采用局部閾值的Bernsen方法可以較好地適應(yīng)光照不均勻帶來的影響，但右下角局部光照十分不均勻部分的信息仍舊有較大損失.因此，需要在Bernsen方法的基礎(chǔ)上考慮一種新的閾值分割方法，來處理水滴的圖像，以達到保留最大信息量的目的.

由于這些信息的丟失均是由于光照極度不均勻造成的，而對于同一個光源來說，它在整個空間的亮度是連續(xù)的.如果將一張圖片分割成多張，單個小圖片上的亮度將趨于均勻，分割個數(shù)越多，光照越均勻.因此，首先對試驗中拍攝到的圖像進行預處理，然后將其平均分割成多個小圖片，對其逐個進行改進Bernsen方法的灰度圖像分割處理，再將灰度圖像分割處理后的圖像拼接在一起，得到如圖3（e）所示的結(jié)果.對比傳統(tǒng)灰度分割方法處理后的圖像可明顯發(fā)現(xiàn)，圖3（e）中水滴的信息得到更大程度的保留，雖然其中噪點較多，影響水滴的粒度統(tǒng)計，但是后期可以通過去噪處理去除.

由于水滴的透光性，在水滴圖像的中間部分會形成光源的影像（即“亮點”），在上述二值化處理后將形成較大空洞，直接影響了水滴信息的提取，需要進行填充，填充結(jié)果見圖3（f）.此外，數(shù)字圖像的邊緣部分存在較大部分噪聲以及不完整的顆粒影像，圖像中間部分也存在較多微小噪聲，去除噪聲后結(jié)果見圖3（g）.應(yīng)用類似的處理方法，水滴的運動軌跡原圖及處理后的圖像如圖4所示.

圖3 水滴“凍結(jié)”圖像處理Fig.3 Processing of‘frozen’droplet image

圖4 水滴運動圖像處理Fig.4 Processing of moving droplet image

3.2 粒度與速度信息提取

含有水滴影像的數(shù)字圖像在經(jīng)過預處理后，水滴“凍結(jié)”的影像或運動軌跡已經(jīng)被識別出來，接下來要對所需信息進行提取.對于粒度測量，首先標記連通區(qū)域，其次統(tǒng)計各個連通區(qū)域的像素個數(shù)，結(jié)合測量系統(tǒng)標定的放大倍率獲得水滴等面積直徑.對于水滴的速度，假設(shè)軌跡形狀為橢圓形，橢圓長軸長即對應(yīng)運動軌跡長度，結(jié)合曝光時間可以獲得水滴的運動速度.

4 結(jié)果與分析

4.1 試驗條件

3種不同表面的試驗條件相同，水的質(zhì)量流量均保持在10－3kg／s，液體有效附著面積為7.04×10－3m2，單位面積葉片上水的質(zhì)量流量為1.42kg／（m2·s）.風速由風機變頻調(diào)速器調(diào)節(jié)，頻率調(diào)節(jié)范圍為0～50Hz，試驗中選取30Hz、35Hz、40Hz、45Hz和50Hz共5個測量點，測得相對應(yīng)的出口風速分別為30.3m／s、35.4m／s、40.8m／s、46.5 m／s和50.0m／s.溫度為室溫25℃左右、壓力為標準大氣壓.

試驗時，通過調(diào)節(jié)變頻調(diào)速器使風機工作在所需的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，待風機風速穩(wěn)定后，打開水泵開關(guān)，調(diào)節(jié)流量閥來控制水的質(zhì)量流量，使其處于所需范圍內(nèi).

4.2 超親水表面和超疏水表面尾流

二次水滴的形成過程實際上是水膜或溪流在葉片尾緣脫離時尾流在高速汽流作用下破碎變形的過程.因此，水膜或溪流在葉片尾緣脫離時尾流的形態(tài)對二次水滴的形成起著十分重要的作用.圖5和圖6分別給出了超親水表面和超疏水表面水膜脫離葉片尾緣形成的尾流的照片，其中葉片尾緣處于照片的右側(cè)，水流從右向左流動.

圖5 超親水表面尾流Fig.5 Wake flow from super－h(huán)ydrophilic surface

圖6 超疏水表面尾流Fig.6 Wake flow from super－h(huán)ydrophobic surface

由圖5和圖6可以看出，對于超親水表面，尾流長度較長，形狀多呈現(xiàn)曲折狀，且分支較多，這種形狀的尾流由于氣液接觸面積較大，類似于沖擊式氣力霧化中的剪切破碎形態(tài)，氣流與液體表面的作用更充分，對液體的碎裂效果更加理想，即霧化效果較好，故破碎形成的水滴的粒徑應(yīng)該較小.而在相同試驗條件下超疏水表面溪流形成的尾流長度較短，形狀相對于超親水表面的尾流來說比較直，且分支較少，類似于沖擊式氣力霧化中的袋狀破碎形態(tài)，氣流與液體表面的接觸面積比較小，氣流的撕裂作用較小，即霧化效果較差，所形成水滴的粒徑相對較大.

造成2種表面尾流形態(tài)不同的原因是：水膜在超親水表面更易流動，形成的水膜較薄，而在超疏水表面由于不易潤濕，形成了較大的溪流，溪流在葉片尾緣脫離時形成粗短的尾流，不利于尾流破碎撕裂形成較小的水滴.

4.3 不同尾流形成的水滴粒徑和速度

圖7和圖8分別為在相同條件下超疏水表面和超親水表面尾流破裂形成的水滴照片，照片的比例尺相同.從圖7和圖8可以看出，超親水表面尾流破裂形成的水滴尺寸小于超疏水表面尾流破裂形成的水滴尺寸.

圖7 超疏水表面尾流形成的水滴Fig.7 Droplets formed by wake flow from super－h(huán)ydrophobic surface

圖8 超親水表面尾流形成的水滴Fig.8 Droplets formed by wake flow from super－h(huán)ydrophilic surface

圖9給出了普通試樣模擬葉片和超親水試樣模擬葉片在5種不同風速條件下尾流破裂所形成水滴的平均粒徑.試驗結(jié)果顯示，對于這2種試樣模擬葉片，隨著風速的增大，水滴平均粒徑均不斷減小.這是由于風速的增大增強了氣流對水流的剪切作用，而氣動剪切力是擾動并發(fā)生破碎霧化的關(guān)鍵作用力.在相同風速下，試樣模擬葉片被超親水處理后形成的水滴粒徑明顯減小，而其減小的幅度（差值與普通試樣模擬葉片形成水滴平均粒徑的比值）隨著風速的變化而變化，對應(yīng)風速為30.3m／s、35.4m／s、40.8m／s、46.5m／s和50.0m／s時，其減小的幅度分別為20.9%、11.8%、14.7%、18.1%和28.2%.其中風速較低時，由于液體霧化很不充分，水滴粒徑具有較大的隨機性.之后隨著風速的增大，試樣模擬葉片經(jīng)超親水處理后所形成水滴的平均粒徑的減小幅度也增大，即水滴粒徑更小.可以預計，在真實汽輪機汽流速度的作用下，超親水表面形成的水滴粒徑將會比普通表面的水滴粒徑更小.

圖9 不同風速下2種葉片表面水滴粒徑的比較Fig.9 Comparison of droplet size between two blades at different gas velocities

圖10給出了在風速為50m／s時普通表面和超親水表面尾流破裂形成水滴的粒徑分布.對于超親水表面，不僅水滴的平均粒徑小于普通表面，水滴的粒徑分布也窄于普通表面.在汽輪機中，窄的水滴粒徑分布意味著水滴撞擊到動葉的部位相對比較集中，而不是分布在較大范圍內(nèi)［12］，這有利于針對性地采取去濕和防護措施.

圖10 超親水表面和普通表面尾流形成水滴的粒徑分布（風速為50 m／s）Fig.10 Size distributions of droplets formed by wake flow from super－h(huán)ydrophilic and ordinary surface at gas velocity 50m／s

較小的水滴粒徑意味著更容易被氣流攜帶加速，這在本試驗中得到證實.圖11（a）和圖11（b）分別給出超親水表面和超疏水表面尾流破裂形成水滴的運動軌跡照片.在風速為40.8m／s、水的質(zhì)量流量為0.06L／min時，對拍攝得到的水滴運動軌跡照片進行圖像處理，得到超親水表面和超疏水表面產(chǎn)生水滴的平均速度分別為6.71m／s和4.90m／s，超親水表面水滴的平均速度比超疏水表面水滴的平均速度高36.9%.可以預計，在真實汽輪機內(nèi)超親水表面形成的水滴由于粒徑較小，在高速汽流攜帶下，其速度可能更高，這意味著該類水滴的流動方向更接近主汽流方向，有利于減輕水蝕.

圖11 超親水和超疏水表面水滴的運動軌跡照片F(xiàn)ig.11 Images of moving droplets formed by wake flow from both super－h(huán)ydrophilic and super－h(huán)ydrophobic surface

5 結(jié) 論

（1）葉片表面經(jīng)超親水處理后，表面溪流形成的尾流較長且分支較多，形狀多呈現(xiàn)曲折狀，類似于沖擊式氣力霧化中的剪切破碎形態(tài)；超疏水表面溪流形成的尾流長度較短，形狀相對比較直，且分支較少，類似于沖擊式氣力霧化中的袋狀破碎形態(tài).

（2）在其他條件相同的情況下，超親水表面尾流破裂形成的水滴粒徑小于超疏水表面尾流破裂形成的水滴粒徑，且相應(yīng)水滴的速度較大.

（3）經(jīng)超親水處理的表面形成的水滴粒徑小于普通葉片表面形成的水滴粒徑，且隨著風速的提高，水滴粒徑減小的幅度呈增加趨勢.

（4）對葉片表面進行超親水處理將有可能減小所形成二次水滴的粒徑以及得到較窄的二次水滴粒徑分布，有利于減輕汽輪機葉片水蝕.

［1］劉建成，林志鴻，聞雪友，等.汽輪機內(nèi)部除濕技術(shù)的發(fā)展［J］.熱能動力工程，2005，20（1）：1－5.LIU Jiancheng，LIN Zhihong，WEN Xueyou，et al.Recent advances in the technology of moisture removal in steam turbines［J］.Journal of Engineering for Thermal Energy ＆ Power，2005，20（1）：1－5.

［2］胡平.汽輪機末級葉片表面防水蝕處理工藝及發(fā)展［J］.表面技術(shù)，2008，37（6）：78－80.HU Ping.Development of anti－erosion surface treatments used in last blades of steam turbine［J］.Surface Technology，2008，37（6）：78－80.

［3］徐峰，蔡小舒，蘇明旭，等.光譜消光法測量高壓濕蒸汽的研究［J］.動力工程，2009，29（3）：254－260，291.XU Feng，CAI Xiaoshu，SU Mingxu，et al.Research on the measurement of high pressure wet steam by spectral extinction method［J］.Journal of Power Engineering，2009，29（3）：254－260，291.

［4］蔡小舒，牛鳳仙，寧廷保，等.300MW直接空冷汽輪機低壓末級濕蒸汽測量研究［J］.中國電機工程學報，2009，29（2）：1－7.CAI Xiaoshu，NIU Fengxian，NING Tingbao，et al.Measurement of wet steam in a 300MW direct aircooling low pressure turbine［J］.Proceedings of the CSEE，2009，29（2）：1－7.

［5］馬力，蔡小舒，田昌，等.試驗汽輪機內(nèi)濕蒸汽測量研究［J］.熱力透平，2012，41（2）：97－105.MA Li，CAI Xiaoshu，TIAN Chang，et al.Research on the measurement of wet steam in a test steam turbine［J］.Thermal Turbine，2012，41（2）：97－105.

［6］AHMAD M，SCHATZ M，CASEY M V.Experimental investigation of droplet size influence on low pressure steam turbine blade erosion ［J］.Wear，2013，303（1／2）：83－86.

［7］SHUJI H，MASAYA K.Effect of impact angle on liquid droplet impingement erosion［J］.Wear，2013，298－299（1）：1－7.

［8］張晶晶，范學良，蔡小舒.單幀單曝光圖像法測量氣固兩相流速度場［J］.工程熱物理學報，2012，33（1）：79－82.ZHANG Jingjing，F(xiàn)AN Xueliang，CAI Xiaoshu.Measurement for the velocity vector field of gas－solid two phase flow using single frame and single exposure imaging［J］.Journal of Engineering Thermophysics，2012，33（1）：79－82.

［9］斯芳芳，張靚，趙寧，等.超親水表面制備方法及其應(yīng)用［J］.化學進展，2011，23（9）：1831－1840.SI Fangfang，ZHANG Liang，ZHAO Ning，et al.Superhydrophilic surfaces：preparation method and application［J］.Progress in Chemistry，2011，23（9）：1831－1840.

［10］KURITA T，OTSU N，ABDELMALEK N.Maximum likelihood thresholding based on population mixture models［J］.Pattern Recognition，1992，25（10）：1231－1240.

［11］BERNSEN J.Dynamic thresholding of gray－level images［C］／／The Eighth International Conference on Pattern Recognition.Paris，F(xiàn)rance：IEEE Computer Society Press，1986：1251－1255.

［12］LI Ma，CAI Xiaoshu，TIAN Chang，et al.Measurement of coarse water in steam turbines［C］／／The Baumann Wet Steam Conference.Cambridge，UK：Cambridge University，2012.