彎葉片對二次水滴運動特性及水蝕的影響

姚 宏， 周 遜， 于曉軍， 王仲奇

(1．哈爾濱工業(yè)大學 能源科學與工程學院，哈爾濱 150001；2．曼恩機械有限公司，江蘇常州 213164)

彎葉片對二次水滴運動特性及水蝕的影響

姚 宏1， 周 遜1， 于曉軍2， 王仲奇1

(1．哈爾濱工業(yè)大學 能源科學與工程學院，哈爾濱 150001；2．曼恩機械有限公司，江蘇常州 213164)

為探索減輕工業(yè)汽輪機末級葉片水蝕的主動控制措施，從氣液兩相流動的運動特性出發(fā)，研究了水滴在級環(huán)境下的運動特性與二次水滴侵蝕問題.通過比較靜葉不同彎曲設計對二次水滴的影響，得到了彎葉片影響靜葉表面水滴運動特性的機理，提出以彎葉片控制二次水滴撞擊范圍與強度的方法.結果表明：靜葉反彎能夠減小二次水滴在葉展中部的速度，這一作用對二次水滴在靜葉表面的運動也適用；靜葉反彎能夠增大二次水滴在葉片兩端的速度，有利于二次水滴順利通過動葉柵通道，減少二次水滴對動葉的撞擊；靜葉反彎通過改變二次水滴速度分布，大幅降低了動葉頂部吸力側的水蝕程度，靜葉反彎25°可使動葉高侵蝕率區(qū)域面積減小90%以上.

工業(yè)汽輪機； 彎葉片； 水蝕； 二次水滴； 氣動設計

Abstract： To reduce the erosion damage over last stage blades of industrial steam turbines caused by water droplets, an active control method was developed based on the liquid-steam two-phase flow to study the movement characteristics of secondary water droplets and the water droplet erosion. By comparing the effects of stator blades in different bendings on the movement characteristics of secondary water droplets, the influencing mechanism was obtained, thus proposing the method to use bowed blades to control the impact range and intensity of secondary water droplets. Results show that a negatively bowed stator blade can reduce the speed of secondary water droplets in the mid span of the blade, which is also effective on the movement of water droplets on the stator surface; the negatively bowed stator blade improves the speed of secondary water droplets on endwalls of the stator, which is beneficial to the secondary droplets passing through the rotor blade passage, and to the reduction of secondary droplets impulse on the rotor blade; the negatively bowed stator blade can greatly reduce the degree of water erosion at the top of rotor blade on the suction side by changing the velocity distribution of secondary water droplets; a bowed stator blade with-25° angle can reduce the high erosion area at the top of rotor blade by more than 90%.

Key words： industrial steam turbine; bowed blade; water erosion; secondary water droplet; aerodynamic design

運行在濕蒸汽條件下的凝汽式汽輪機各級受到濕蒸汽凝結和氣液兩相流動的影響，不僅級性能下降，而且葉片也遭到水蝕破壞，這一問題已被研究了一百余年[1].水蝕的發(fā)展過程與“水滴石穿”的機理類似，破壞程度與水滴的大小、相對速度、撞擊角度、材料硬度及撞擊時間等因素密切相關[2].降低水蝕危險性的方法可分為被動防護和主動控制2類.被動防護水蝕的方法有動葉表面超親水處理[3]、局部電火花強化、鑲焊耐水蝕合金片、火焰淬硬、激光合金化及激光熔覆等工藝技術[4]，此類方法通過提高動葉受水滴撞擊部位的強度來降低水蝕危險性，但長期運行后仍有葉片損傷的隱患.主動控制水蝕的方法有增大靜葉與動葉的軸向間隙、空心靜葉除濕或加熱、靜葉表面開除濕槽及靜葉頂部前掠等設計技術，此類方法通過減少直接撞擊動葉的水滴數(shù)量來實現(xiàn)長期安全運行的目的.這2類方法均不能改變級性能因受濕蒸汽影響而下降的趨勢.

近年來，隨著理論研究、實驗手段和數(shù)值模擬方法的進步，水蝕的研究也進一步深入.在濕蒸汽凝結、水滴運動、水蝕過程和流場影響等諸多方面出現(xiàn)了大量有價值的成果，有助于全面了解水蝕產(chǎn)生的原因，探索有效的改進方法.

濕蒸汽凝結與水滴運動方面的研究結果表明[5-6]，濕蒸汽在通道中凝結成細小的霧滴懸浮于氣相中，大部分能夠順利通過葉柵通道，一小部分在靜葉表面附著形成水膜.霧滴的沉積方式與霧滴直徑有關，較小直徑的霧滴以湍流擴散的方式沉積，較大直徑的霧滴則主要在慣性作用下沉積.靜葉表面的水膜在高速氣流的帶動下于靜葉尾緣處脫落形成二次水滴，其直徑從幾微米到幾百微米不等.二次水滴在靜、動葉柵之間的運動受離心力的影響呈現(xiàn)出向上端壁傾斜的運動趨勢.這些占濕度份額5%～10%的二次水滴對動葉的撞擊是造成動葉水蝕的直接原因，且撞擊部位集中在動葉頂部吸力側附近.

動葉水蝕的破壞程度與運行時間、二次水滴撞擊速度、撞擊角度、撞擊頻率及金屬材料等多種因素有關[7-9]，動葉水蝕初期為塑性變形與硬化，之后部分金屬材料迅速脫落，發(fā)展到一定程度后因葉片表面出現(xiàn)“蜂窩”狀結構，沉積其中的水滴減輕了二次水滴的撞擊，隨之保持一定時期的穩(wěn)定狀態(tài).動葉水蝕造成葉片不完整，不僅降低了葉片的氣動性能，也存在斷裂的隱患.從被動防護機理來看，采取這些措施能夠延長動葉的安全運行時間，但不能完全消除動葉水蝕失效的隱患.

從氣動設計角度來看，葉柵流場中壓力、濕度和速度等參數(shù)的分布直接決定了濕蒸汽的凝結及霧滴沉積，也影響了二次水滴的運動，因此深入研究流場結構對二次水滴運動的影響對于從氣動設計上減輕水蝕有重要意義.靜葉的彎、扭、掠設計對流場有重要影響[10-12]，彎葉片能夠改變壓力沿徑向的分布，進而通過改變通道渦的位置和結構來改變壁面附面層內(nèi)低能流體的再分布；扭葉片能夠改變出口壓力和速度沿徑向的分布；掠葉片通過改變壓力和速度沿軸向的分布來影響流場.因此，可通過葉片的彎、扭、掠設計來改變二次水滴的運動規(guī)律，得到有利于減輕水蝕的設計方案.

鑒于工業(yè)汽輪機轉速設計范圍大，不同轉速下葉片的氣動設計受強度所限有較大區(qū)別，彎、扭、掠葉片的設計需要依據(jù)實際條件采用不同的方法.筆者基于工業(yè)汽輪機的設計特點，研究了彎葉片對二次水滴運動特性及水蝕的影響.

1 實驗驗證與金屬侵蝕模型

圖1展示了水蝕較為嚴重的動葉.由圖1可知，水蝕最為嚴重的部位是靠近頂部的進汽側，由葉片頂部至中部，水蝕程度逐漸減弱.基于對水蝕現(xiàn)象的認識和實際狀況，采用數(shù)值模擬方法研究水滴與蒸汽的兩相流動.

圖1 水蝕后的動葉

數(shù)值模擬通過ANSYS-CFX完成，網(wǎng)格生成通過TurboGrid完成.為考慮氣相與液相之間的相互拖動影響，模擬蒸汽與水滴的兩相流動，在本文的水蒸氣可凝結流動中采用Euler多相流模型、Lagrange方法研究水滴的運動特性.基于工業(yè)用水蒸氣性質定義了新的濕蒸汽工質，在后處理階段增加金屬侵蝕模型來評價葉片水蝕程度.

1.1 數(shù)值模擬方法實驗驗證

采用實驗方法測量葉柵中水滴的分布及運動特性是難以實現(xiàn)的，尤其是水滴的生成及其在流場中的分布，機理研究通常采用氣液兩相數(shù)值模擬方法完成[13].但采用實驗方法研究水滴在蒸汽中的運動軌跡及沉積規(guī)律相對而言還是容易實現(xiàn)的.

于瑞俠等[14]完成了波紋板氣液兩相流動的實驗，此實驗中的氣液兩相流動機理與汽輪機中的水滴蒸汽兩相流動機理相同.為此，首先用實驗中間距為10 mm的A形波紋板氣液兩相流動的實驗結果來驗證數(shù)值模擬方法的合理性.實驗中霧化噴嘴出口的水滴在M形通道中實現(xiàn)氣水分離，水滴直徑及其質量服從正態(tài)分布.數(shù)值模擬中水滴直徑分別為5 μm、10 μm和15 μm；空氣進口速度在3～8 m/s內(nèi)每增加1 m/s為一個工況條件，分別模擬3種水滴的運動.

以進口速度5 m/s為例，圖2給出了不同直徑的水滴在波紋板中的運動軌跡，其中灰色線表示氣流軌跡，黑色線表示水滴運動軌跡.由圖2可知，直徑較小的水滴能夠很好地跟隨氣流運動，直徑較大的水滴則很容易附著在壁面.這表明水滴直徑較小時受到湍流脈動的影響，水滴運動軌跡發(fā)生改變；直徑較大時慣性力占主導地位.

(a)水滴直徑5 μm

(b)水滴直徑10 μm

(c)水滴直徑15 μm

圖3給出了不同進口速度下氣流壓損的數(shù)值結果與實驗值對比.由于實驗中無法保持水滴直徑完全一致，其氣流壓損是不同直徑水滴共同作用的結果，數(shù)值模擬是基于實驗條件給定了水滴直徑，因此實驗值與數(shù)值結果不完全一致，但兩者也相當吻合.由圖3可知，不同進口速度下5 μm直徑水滴產(chǎn)生的氣流壓損最大，這是因為較小直徑的水滴能夠更好地跟隨氣流運動，由進口至出口始終受氣流拖動力作用，造成氣流動能耗散.直徑較大的水滴在慣性力的作用下很容易附著在壁面上，對氣流的動能耗散作用僅維持在附著于壁面之前這一范圍內(nèi)，因此氣流壓損要小一些.

圖3 不同進口速度下的氣流壓損

1.2 金屬侵蝕模型

物體表面受水滴等粒子撞擊的侵蝕效果是粒子撞擊速度、粒子性質及壁面性質的復雜函數(shù).金屬侵蝕的主要影響因素是粒子的撞擊角度和速度，式(1)為材料力學中定量比較金屬侵蝕效果的侵蝕率計算公式[15].

(1)

利用式(1)來評價水滴對動葉表面的沖蝕效果可以定量比較不同流場結構時二次水滴的沖蝕強度.因此，本文通過這種方式來比較彎葉片的效果.

2 計算方法與彎葉片設計

采用ANSYS-CFX來模擬葉柵流場.考慮到動葉水蝕主要是由二次水滴造成的，并且二次水滴是由附著在靜葉表面的霧滴形成的，數(shù)值模擬中在靜葉表面按濕度分布給定了不同直徑的水滴分布，水滴直徑為5～300 μm，質量平均直徑為200 μm.基于實際情況，數(shù)值模擬中設置水滴運動至頂部端壁時附著于端壁，重點研究動葉的水蝕.考慮到葉片表面粗糙度對水滴運動的影響，按實際條件設置了壁面粗糙度.末級葉柵中部葉型主要幾何參數(shù)見表1.

給定進口總壓為16.573 kPa，進口濕度為0.020 3，出口給定靜壓為8.52 kPa.為避免計算結果對網(wǎng)格的依賴性，首先進行網(wǎng)格無關性驗證.以靜葉直葉片方案為例，取級網(wǎng)格節(jié)點數(shù)量分別為20萬、26萬、33萬、42萬和56萬進行數(shù)值模擬.

圖4給出了不同網(wǎng)格級別所得由進口至出口同一流線上的壓力分布，流向相對位置0、1和2分別表示靜葉進口、級間和動葉出口.由圖4可知，不同網(wǎng)格節(jié)點數(shù)量的計算結果幾乎相同，即網(wǎng)格節(jié)點數(shù)量為20萬以上時能夠得到正確的結果.

表1 葉柵幾何參數(shù)

圖4 不同網(wǎng)格節(jié)點數(shù)量下壓力沿流向的分布

表2給出了不同網(wǎng)格節(jié)點數(shù)量下級總體性能.由表2可知，網(wǎng)格節(jié)點數(shù)量超過20萬時其對級總體性能的影響很小.為詳細查看流場結果，在彎葉片研究中均取網(wǎng)格節(jié)點數(shù)量為56萬左右.

表2 不同網(wǎng)格節(jié)點數(shù)量下的級性能參數(shù)

筆者設計了10種不同彎角的彎葉片方案來研究彎葉片對二次水滴運動的影響.彎葉片設計參數(shù)如圖5所示，葉片彎高設置在平均直徑處，根部與頂部對稱彎曲.彎角為尾緣連線與徑向輻射線的夾角，壓力側與壁面夾角為銳角即壓力面凸起為正彎，反之為反彎.在彎葉片方案中彎角由-25°增至25°，每增加5°為一個彎葉片方案，彎角為0°時即為直葉片.

在彎葉片的設計中，如果考慮性能上的要求，還需考慮彎高、根部與頂部彎角不同等多個設計參數(shù)的影響.鑒于本文研究重點是彎葉片對二次水滴運動的影響，特別是水滴在靜葉表面的運動及其在靜葉尾緣脫落后在級間的運動，僅研究上述方案并分析彎葉片的作用.

圖5 彎葉片示意圖

3 結果與討論

圖6給出了彎角由-25°增至25°時級等熵效率的變化.由圖6可知，彎角相同時反彎葉片的級等熵效率要高于正彎葉片，在當前條件下靜葉采用直葉片設計具有最高的級等熵效率，采用反彎設計時級等熵效率略有下降，但與正彎葉片相比下降緩慢.實際上，與葉片相關的多個參數(shù)對級等熵效率都有影響，各參數(shù)也并非是獨立的，不能認為彎葉片一定會導致級等熵效率下降.從彎葉片設計方法和氣動設計的角度來看，級等熵效率在直葉片的基礎上仍有進一步提高的可能.下面在級等熵效率較小的變化范圍內(nèi)重點研究彎葉片降低水蝕危險性的機理.

圖6 級等熵效率隨彎角的變化

圖7給出了靜葉采用反彎25°、直葉片和正彎25°時對二次水滴運動的影響，其中淺色流線為葉片表面的蒸汽流線，深色流線為二次水滴在葉片表面及之后的流線.為便于查看，圖中僅顯示了二次水滴在靜葉表面及動葉前緣這一段.由圖7(a)與圖7(b)對比可知，靜葉反彎25°后氣流在靜葉表面的流動向葉展中部傾斜，且蒸汽速度分布也有所改變；在蒸汽拖動作用及水滴黏性作用下，附著在靜葉表面的水滴(即水膜)向葉展中部運動，這樣就減少了撞擊動葉頂部的二次水滴數(shù)量.與此相反，由圖7(b)與圖7(c)對比可知，靜葉正彎25°后，附著在靜葉表面的水滴向兩端運動，撞擊動葉頂部的水滴數(shù)量增加.

(a)靜葉反彎(b)靜葉直葉片(c)靜葉正彎

圖7 二次水滴和蒸汽的運動軌跡

Fig.7 Tracks of secondary water droplets and steam

蒸汽凝結后呈霧狀分布，其中一部分附著在靜葉表面，這些水滴在靜葉尾緣脫離后形成二次水滴，二次水滴的直徑很小，一般在幾微米至幾百微米，壓力場對其影響較小.二次水滴脫離靜葉尾緣后仍保持原有速度方向，初速度取決于其在靜面表面的速度.由于周向相對分速度較大，二次水滴在靜葉尾緣至動葉前緣這一空間運動時，受較強的離心力作用開始徑向加速；另一方面，二次水滴也受氣流拖動的影響，沿蒸氣流線方向加速運動.二次水滴的這一加速過程與靜葉和動葉之間的軸向間隙密切相關，距離越長則二次水滴與氣流的速度越接近.為避免靜葉和動葉之間軸向間隙的影響，在數(shù)值模擬中設置相同的靜葉尾緣至動葉前緣的距離.這樣，影響二次水滴在靜葉和動葉之間運動的主要因素是葉片彎角.

由水蝕作用機理及靜葉出口速度三角形可知，水滴速度越大(有助于順利通過動葉柵通道)，撞擊動葉表面時與壁面的夾角越小，水蝕程度越輕.圖8給出了各方案下靜葉出口氣流速度沿展向的分布.由圖8可知，靜葉反彎后氣流速度在葉展中部減小、兩端增大，在這種氣流速度分布作用下，二次水滴在葉展中部受氣流加速影響較小、在兩端受其影響較大，減輕了動葉頂部的水蝕危險性.正彎葉片的作用與之相反，二次水滴在頂部速度較小，水蝕危險性較高.

圖9給出了靜葉出口靜壓分布.正彎葉片建立起壓力的“C”形分布，在30%～70%葉高范圍內(nèi)壓力降幅較小，在兩端壓力升幅較大；反彎葉片的作用與此相反.值得注意的是，反彎葉片能夠大幅提高葉展中部的壓力，也即大幅減小葉展中部的氣流速度；對兩端的影響則小一些.葉展中部壓力提高、濕度減小可減少二次水滴數(shù)量；頂部壓力降低、氣流速度增大有助于提高二次水滴的速度.氣流速度與靜壓的分布呈相反趨勢，即二次水滴的數(shù)量與速度的變化趨勢是相反的.利用彎葉片的這種作用機理能夠改變?nèi)~片展向各處二次水滴產(chǎn)生的數(shù)量及其速度，使之向有利的方向發(fā)展.

圖8 靜葉出口氣流速度分布

圖9 靜葉出口靜壓分布

為直接比較水蝕危險性的變化，圖10給出了由式(1)計算所得的動葉侵蝕率分布云圖，其中侵蝕率采用了無量綱化處理.水蝕主要發(fā)生在吸力側靠近前緣附近，此區(qū)域的深色區(qū)域為高侵蝕率區(qū)域.與靜葉直葉片、正彎25°的效果相比，靜葉反彎25°極大地減小了動葉吸力側頂部的侵蝕率，高侵蝕率區(qū)域的面積減小90%以上.靜葉正彎25°明顯增大了動葉頂部的侵蝕率.由圖10(a)也可看到靜葉反彎25°后動葉中部的侵蝕率有所增大，實際上此處的水滴數(shù)量很少，在本文條件下，動葉中部的水蝕危險性仍然較低.

影響水蝕程度的另一個重要因素是汽輪機的運行時間.運行時間越長，動葉的水蝕程度也相應增加.減輕二次水滴撞擊動葉的強度(即動葉表面的侵蝕率)延長了汽輪機的安全運行周期.

(a)靜葉反彎(b)靜葉直葉片(c)靜葉正彎

圖10 侵蝕率分布云圖

Fig.10 Erosion rate of rotor blade by secondary water droplets

4 結 論

(1)靜葉反彎大幅度地提高了葉展中部的靜壓，濕度減小，二次水滴在葉展中部產(chǎn)生的數(shù)量減少，撞擊動葉頂部附近的二次水滴數(shù)量相應減少，減輕了動葉的水蝕程度.

(2)靜葉反彎降低了頂部與根部附近的靜壓，二次水滴在頂部區(qū)域的速度增大，有利于二次水滴跟隨氣流通過動葉柵通道，減少對動葉的撞擊.

(3)靜葉反彎通過改變靜壓、速度分布改變了二次水滴的靜壓及速度分布，靜葉反彎25°使得動葉頂部高侵蝕率區(qū)域大幅減小，高侵蝕率區(qū)域面積減小90%以上.

總的來說，利用彎葉片可改變二次水滴的運動特性，在氣動設計中合理設計靜葉的彎曲形式可減小動葉表面的侵蝕率，從而降低了動葉水蝕的危險性，延長了工業(yè)汽輪機安全運行時間.

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Effects of Bowed Blade Design on Water Erosion and Movement of Secondary Water Droplets

YAOHong1,ZHOUXun1,YUXiaojun2,WANGZhongqi1

(1.School of Energy and Power Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China;2. MAN Diesel & Turbo China Production Co., Ltd., Changzhou 213164, Jiangsu Province, China)

2016-11-04

2016-12-12

國家自然科學基金資助項目(51421063)

姚 宏(1977-)，男，內(nèi)蒙古赤峰人，工程師，博士，研究方向為葉輪機械氣動熱力學.電話(Tel．)：18514250907； E-mail：mchyh@163.com．

1674-7607(2017)10-0808-06

TK26

A

470.30