汽轮机固体颗粒冲蚀特性及防治研究进展

随着超超临界汽轮机的发展,机组蒸汽参数不断提高,蒸汽管道内壁氧化产生的氧化物会加剧剥落,氧化铁粒子随着主蒸汽进入汽轮机通道,对叶片产生严重的冲蚀破坏。同时随着我国电力消费结构的变化,电昼夜峰谷差逐渐增大,风电、光伏等新能源发电迅速发展,新能源发电的消纳成为关键问题,超超临界机组也面临承担电网调峰的任务。对于高参数、大容量的机组,其发电量和经济性得以提高,然而新的技术问题又摆到了面前,即固体颗粒冲蚀问题,解决固体颗粒冲蚀问题至关重要。从粒子冲蚀行为的影响因素出发,主要包括粒子撞击速度、粒子撞击角度、粒子尺寸、粒子形状等角度出发,从根本上来分析粒子的冲蚀行为及冲蚀机理。针对动静叶片分析了粒子的冲蚀程度及冲蚀区域,指出调节级喷嘴所受冲蚀程度较动叶严重,随着长时间的粒子冲蚀,叶片会产生严重的缺口,机组经济性降低的同时安全性也大大降低。同时从表面涂层技术的应用、叶栅型线的改变、粒子分离方面来探究解决或降低冲蚀破坏的方法。在此基础上,对汽轮机固体颗粒冲蚀问题的研究前景做出了展望。     

某电厂汽轮机中压缸叶片大量断裂原因分析

通过对某电厂汽轮机中压第一级大量断裂叶片的宏观、化学成分、金相、扫描电镜及能谱分析,认为叶片大量断裂是由于第一级静叶与隔板的结构焊焊缝处出现微裂纹,裂纹扩展、静叶脱落,使隔板内环向出气侧位移,与第一级动叶叶根发生摩擦,致使第一级动叶片全部脱落,并波及二、三级动静叶片使其也受到损坏。     

混合粒径固体颗粒对滑套球座冲蚀磨损的影响

随着超长水平井施工排量和加砂量的不断增加,滑套球座冲蚀磨损日益严重。目前对液固两相流冲蚀磨损的研究较多,但均未考虑混合粒径固体颗粒对冲蚀磨损的影响。研究不同粒径混合的支撑剂对球座的冲蚀磨损,基于欧拉双流体理论,运用Fluent软件对混合粒径固体颗粒对滑套球座的冲蚀磨损进行数值模拟。结果表明：混合粒径固体颗粒与单一粒径固体颗粒对球座冲蚀磨损规律有所不同,单一粒径固体颗粒对球座冲蚀磨损速率随着粒径的增大而减小;混合粒径固体颗粒对球座冲蚀磨损速率不仅和支撑剂粒径有关,而且和不同粒径固体颗粒的比例有关,即冲蚀磨损速率随混合固体颗粒中小粒径固体颗粒比例的增大而表现出先减小后增大的趋势。模拟结果为水平井分段压裂材料的选择提供了依据。     

汽轮机部件渗硼层耐固体颗粒冲蚀性能研究

为研究不同状态下固体颗粒对渗硼层性能的影响,改善汽轮机部件耐固体颗粒的冲蚀性能,采用固体渗硼技术制备渗硼层,研究了不同温度、颗粒速度、冲击角度下渗硼层的磨损率,分析温度、固体颗粒速度、粒子冲击角度对渗硼层抗冲蚀性能的影响.结果表明渗硼层在高温状态下均呈现出脆性材料的抗固体颗粒冲蚀特性,磨损率随冲击角度的增大而增大.对于高参数汽轮机喷嘴压力面常见的粒子小角度冲蚀时,渗硼涂层可以使叶片抗磨损能力提高30～60倍,在大冲蚀角度下其抗冲蚀能力也能提高3～6倍.     

旋流泵内颗粒分布特性及对泵性能的影响

基于Eulerian多相流模型和RNG κ-ε两方程湍流模型对旋流泵内的液固两相流场进行了数值模拟,获得了不同粒径、浓度时泵内的颗粒分布特性及对泵性能的影响。研究结果表明:固体颗粒进入泵内后主要集中于无叶腔内,无叶腔中的颗粒分布以泵轴为中心呈现一定的轴对称分布,随着粒径的增大,颗粒在无叶腔内壁面聚集的更加明显,随着浓度的增大,颗粒在无叶腔内的分布规律几乎没有变化,随着流量的增大,无叶腔中心部分颗粒浓度几乎不变的区域扩大;在叶轮内,叶片工作面附近的颗粒浓度要大于叶片背面的;随着粒径及浓度的增大旋流泵的效率会降低,随着粒径的增大泵的扬程会降低。     

离心压缩机内固粒运动规律与冲蚀磨损的数值模拟

针对离心压缩机叶轮的冲蚀磨损问题,利用FLUENT中离散相模型、质量冲蚀率模型,对压缩机内部不同粒径的固体颗粒的运行轨迹、运动速度、偏聚浓度及造成的叶片冲蚀率的分布进行了数值模拟。结果表明:粒径为5~20μm的绝大部分的固体颗粒流经大叶片压力面附近流道;固体颗粒在运动到叶片前缘过程中速度迅速升高,在压力面腹侧会有所减小,后缘处重新升高;大叶片后缘根部固体颗粒浓度高、运行速度快,冲蚀磨损严重,且固体颗粒直径越大对大叶片压力面造成的冲蚀磨损越严重。     

砂粒粒径对航空涡轴发动机压气机叶片冲蚀磨损的影响研究

高原、沙漠和沿海等服役环境中不同粒径的砂粒不可避免地对涡轴发动机压气机叶片造成冲蚀磨损,破坏叶片叶型和动力学特性,严重危及涡轴发动机使用寿命和直升机飞行安全。基于Finnie冲蚀磨损理论推导了颗粒对金属表面的磨损率表达式,分析颗粒粒径对材料冲蚀磨损率的影响,以某型涡轴发动机压气机动叶和静叶为研究对象,设计搭建砂粒冲击速度测试装置和钛合金冲蚀磨损实验装置,通过典型砂粒粒径下冲蚀磨损实验获取磨损率表达式中与靶材材料和冲击速度相关的关键参数,结合气固两相流动力学分析开展砂粒粒径对压气机动叶和静叶冲蚀磨损的影响研究。结果表明：砂粒粒径与冲击速度存在内在关联,材料冲蚀磨损率与砂粒冲击速度呈幂函数关系。实验条件下,砂粒粒径由177 μm增至423 μm时,其冲击速度平均降低约17%。压气机动叶和静叶的磨损集中区域不随砂粒粒径的改变而变化,但磨损程度差异明显,其中177 μm砂粒对动叶和静叶造成的最大冲蚀磨损率浓度值相比423μm砂粒分别增加91%和131%。研究结果为涡轴发动机压气机叶片抗磨损设计提供了理论参考。     

超临界汽轮机固体颗粒侵蚀特性与防治对策分析

为解决超临界汽轮机日益突出的固体颗粒侵蚀问题,研究超临界汽轮机调节级喷嘴内的固体颗粒运动特性,由固体颗粒撞击位置、速度与角度以及材料抗冲蚀性能三方面对喷嘴的侵蚀机理进行了综合分析,提出了采用改进叶型设计、表面强化处理与运行工况优化等对策,以降低汽轮机固体颗粒侵蚀问题。     

大型火电机组轴流风机运行特性及内流特征的数值模拟

应用流体计算软件Fluent对某600MW大型火电机组配套的SAF两级动叶可调轴流引风机的内流特征及运行特性进行模拟分析。研究表明:正常状态下风机内静压沿轴向先增大后减小,动压仅在扩压器区及集流器区出现较大变化,动叶轮的升力作用主要转化为流体静压,全压的增加则主要来自静压的增大;风机动叶出口截面总压呈现高压区与低压区交替出现的周向对称性分布,但第二级动叶出口总压分布的对称性要比第一级的差;叶片压力面与吸力面间的静压差沿叶高方向逐渐增大,表明叶片中上部的做功能力较强;相同流量下随着动叶安装角的减小,叶片压力面与吸力面速度变化梯度减小,做功能力减弱,风机的全压升逐渐减小。     

表面反弹特性对透平叶片冲蚀率及振频影响的研究

采用多种叶片材质对应的反弹恢复系数,结合气固双向耦合颗粒随机轨道模型,对双级烟气透平内颗粒与叶片碰撞形成的冲蚀行为进行数值试验,分析叶片材质对其冲蚀率和冲蚀分布的不同影响程度,并预测叶片自振频率因冲蚀而发生的变化。数值分析表明,不同反弹恢复系数,叶片内弧近中径的冲蚀率会有明显差异,较大的反弹恢复系数,冲蚀率数值较大,而反弹恢复系数的变化对叶片自振频率的变化影响却不明显。研究结果将为叶片材质、表面处理工艺、涂层等选用,实现冲蚀率和冲蚀分布控制提供依据。     

动静干涉下低压涡轮非定常气动载荷研究

为研究动静干涉下轴向间距和尾缘锯齿结构对低压涡轮叶片非定常气动载荷的控制作用,对高效节能发动机(energy efficient engine,简称E3)低压涡轮最后一级的内部流场进行了数值仿真,研究了不同轴向间距和静叶尾缘锯齿结构两种情况下,下游动叶表面非定常气动载荷的变化规律。研究发现：增大轴向间距可以加强尾迹与主流的掺混,消除气流不均匀性,削弱下游动叶表面的非定常气动载荷;静叶采用尾缘锯齿结构不仅可以加强尾迹与主流的掺混,同时还会改变尾缘处的涡结构,对下游动叶前缘产生破坏性干涉效应,使其最大载荷波动降低约30%,减少静叶尾迹速度亏损75.7 m/s,还能适当提升涡轮的流通能力和时均效率。与采用直尾缘静叶的模型相比,采用锯齿尾缘静叶不仅能大幅度地改善涡轮的转静干涉效应和气动性能,还能在不影响涡轮效率的前提下,将涡轮轴向间距缩短10%。     

Fast-response total pressure probe for turbomachinery application

To evaluate the accurate performance and characteristics of turbomachinery, it is important to measure the unsteady flow phenomena downstream of the rotating blades. This paper presents the development of a fast-response total pressure probe for the measurement of the total pressure field at the exit of blades. The result of measurement in a one-stage axial turbine is also presented. The fast-response total pressure probe is fabricated by installing a fast-response pressure sensor in the cylindrical head of the probe. In terms of simplicity of the measurement system and data reduction method, this method is more competitive over established methods that use more than four sensors. The probe is applied to the one-stage axial turbine in order to measure the instantaneous total pressure downstream of rotor blades. The measured instantaneous signal is decomposed to obtain the blade-to-blade pressure distribution. The pressure distribution due to blade passing is clearly captured. Due to the loss generation in the casing region, the total pressure and its amplitude of fluctuation by the blade passing are lower in the shroud and hub region than in mid-span. The total pressure distribution at the exit of the rotor blade is found to be slightly different from blade to blade due to the geometric difference and the different relative positions of the rotor blades and stator vanes. The developed probe successfully measures the accurate total pressure distribution at the rotor exit, and allows the evaluation of the loss distribution and the accurate performance of turbomachinery.     

Numerical predictions of roughness effects on the performance degradation of an axial-turbine stage

This paper describes a numerical investigation on the performance deteriorations of a low speed, single-stage axial turbine due to use of rough blades. Numerical calculations have been carried out with a commercial CFD code, CFX-Tascflow, by using a modified wall function to implement rough surfaces on the stator vane and rotor blade. To assess the stage performance variations corresponding to 5 equivalent sand-grain roughness heights from a transitionally rough regime to a fully rough regime, stage work coefficient and total to static efficiency were chosen. Numerical results showed that both work coefficient and stage efficiency reduced as roughness height increased. Higher surface roughness induced higher blade loading both on the stator and rotor which in turn resulted in higher deviation angles and corresponding work coefficient reductions. Although, deviation angle changes were small, a simple sensitivity analysis suggested that their contributions on work coefficient reductions were substantial. Higher profile loss coefficients were predicted by higher roughness heights, especially on the suction surface of the stator and rotor. Furthermore sensitivity analysis similar to the above, suggested that additional profile loss generations due to roughness were accountable for efficiency reductions.     

Development of a water droplet erosion model for large steam turbine blades

Water droplet erosion is one of major concerns in the design of modern large fossil steam turbines because it causes serious operational problems such as performance degradation and reduction of service life. A new erosion model has been developed in the present study for the prediction of water droplet erosion of rotor blades operated in wet steam conditions. The major four erosion parameter ; impact velocity, impacting droplet flow rate, droplet size and hardness of target are involved in the model so that it can also be used for engineering purpose at the design stage of rotor blades. Comparison of the predicted erosion rate with the measured data obtained from the practical steam turbine operated for more than 90.000 hours shows good agreement.     

对转涡轮低压转子叶片的流固耦合数值分析

采用对转涡轮设计能提高航空涡轮发动机性能,其中无导叶方案是发展趋势之一。在无导叶对转涡轮中,低压转子叶片受到较大的高压转子出口气流激励。基于ANSYS/CFX软件,采用流固耦合数值分析方法对低压涡轮转子叶片进行了分析,得到了高压涡轮转子叶片尾流作用下的低压涡轮转子叶片振动的应力和变形变化规律。叶片温度对振动应力和位移的平均值、幅值和周期的影响较大,叶片材料密度对振动周期产生明显的影响,高低压转叶轴向间距的选择应兼顾涡轮效率等因素。     

一种免装配非接触式汽轮机汽封间隙测量方法与实验

与传统的汽轮机汽封间隙测量方法不同,汽轮机转子和定子在非安装条件下,采用靶球和API激光跟踪仪实现无接触式测量。测量数据输入计算机,与定子的参数进行计算可得到汽封轴向和径向间隙。测量了汽轮机低压部分的径向汽封间隙,均满足工作要求。该方法对汽轮机汽封间隙测量提供了一种创新方法和一定的理论支持。     

偏心及部分进汽下密封间隙流体激振力数值研究

喷嘴配汽汽轮机在部分进汽时调节级附近会形成极不均匀的流场,不仅影响调节级动叶轮周力的分布,还会对临近密封间隙内的流场及流体对转子的作用力产生扰动。以某国产300MW汽轮机端部汽封间隙为参考,建立密封间隙CFD模型,求解三维、粘性、可压缩N-S方程,研究了不同进汽方式、偏心情况下流场特性及流体对转子作用力。结果表明:部分进汽的位置、转子的偏心距及两者的相对位置对汽流力的大小、方向和变化趋势产生了较大的影响。在某些部分进汽情况下,偏心距增大也会减小汽流力。     

发动机地面起动时涡轮叶尖间隙动态变化规律

基于涡轮叶尖间隙主动控制的需要,本文分析了涡轮叶尖间隙的变化机理,建立了机匣、叶片和转子的简化模型,同时基于某型发动机试车数据计算了涡轮叶尖间隙,研究了发动机地面起动时涡轮叶尖间隙动态变化规律。结果表明:地面起动时涡轮叶尖间隙呈减小趋势,机匣形变量上升速率最大,叶片变化量对叶尖间隙变化影响最小,可为发动机地面起动时涡轮叶尖间隙控制策略的设计提供参考。