界面特性对二次水滴产生的影响研究

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3.0 赵德峰 2024-11-11 18 4 9.05MB 83 页 15积分

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摘要

大型火电厂中的汽轮机低压缸的后几级以及压水堆核电机组的大部分级都

在湿蒸汽区内运行。湿蒸汽在高速流动膨胀时凝结形成的尺寸较小的一次水滴，

部分一次水滴沉积在静动叶栅上形成水膜后在气流作用下在叶片尾缘破碎而形成

的尺寸较大的二次水滴。二次水滴的质量大，惯性也大，因此与主汽流的跟随性

差，是造成汽轮机动叶片水蚀的直接原因，严重影响汽轮机运行的安全性。由此，

开展蒸汽轮机内二次水滴问题的研究意义重大。

文章第一部分制作了四组具有不同规则微观结构、粗糙度由 1.2 到2.0 的粗糙

表面，并测量了各个粗糙表面的表观接触角。而后将各组粗糙表面的接触角测量

值与 Wenzel 模型预测值和 Cassie 模型预测值进行比较，分析了影响各个粗糙表面

浸润特性的因素，并提出了新的接触角预测模型。相对于孔状结构，柱状结构更

容易得到较大的接触角，具有更好的超疏水性。对于孔状粗糙表面，液滴难以侵

入微结构内部，且相对柱状表面，具有更稳定的疏水性能，此特性在设计制造超

疏水表面及其实际应用中具有重要意义。

文章第二部分首先总结了国内外二次水滴冲蚀试验装置的研究进展情况，现

有的试验装置主要分为四类：转盘式、振动式、高温气流冲击式及高速水柱撞击

式，其中以高速水柱撞击式效果较好。其次完成了二次水滴试验台的方案设计，

试验了三种方案，最终选取叶片小孔渗水形成二次水滴的方案。接着完成了二次

水滴试验台的总体设计及搭建，二次水滴的试验台主要分为三部分：水路部分，

气路部分及光路（图像采集）部分。最后对该试验台进行了验证，结果显示该试

验台可以很好完成既定试验目标。

文章的第三部分首先介绍了研究固-液界面张力对于二次水滴影响的试验方

法，亲水和超疏水界面特性的试样叶片的选择和试制，试验条件的确定，试验过

程的介绍。此外还介绍了像素标定的过程。最后通过图像法处理并分析了试验数

据。结果发现试样叶片通过亲水处理之后形成的二次水滴粒径有所减小，其脱流

尾迹的长度较长、分支较多，有利于高速气流撕裂液体，导致液体充分被气流雾

化，形成尺寸较小的二次水滴。较小的粒径使得二次水滴易被高速气流携带加速，

有利于减小二次水滴对下级动叶片的冲蚀破坏。

关键字：汽轮机二次水滴界面特性超疏水

ABSTRACT

The steam, flowing in the last several stages of the LP cylinder of steam turbines

at power plants and the most of the stages of pressurized water reactor nuclear power

plant, exhausts to the condenser as a two-phase mixture of saturated steam and small

liquid droplets. Some small liquid droplets are deposited at the pressure surfaces of

cascades and form water films. On the trailing edge, water films are broken into some

larger liquid droplets by steam flow. Because of inertia, these larger liquid droplets can’t

follow primary steam flow and impact on the next cascades, leading to steam turbine

water erosion. It seriously affects the safety operation of steam turbine. Therefore, it is

greatly significative to investigate the water erosion in steam turbines.

There are three parts in the whole thesis. Four groups of rough surfaces with

regular microstructures have been made in the first part of the article. Every group

includes nine pieces of surface with roughness from 1.2 to 2.0.The true contact angle

(CA) has been measured and compared with theoreticalvaluecalculated by Wenzel

Model and Cassie Model to find out the elements which affect the wetting behavior of

every rough surface. It is discovered that difference of extent which liquid intrudes into

microstructures in is the main reason which causes the different wetting behavior. A new

predictor formula has been given out on these rough surfaces with two kinds of different

microstructures. Relative to rough surfaces with cavernous microstructure,

contactangles of rough surfaces with cavernous microstructure are larger. It is hard for

liquiddrop to intrudeinto the microstructure of rough surfaces with cavernous

microstructure. It is useful that stability of hydrophobicity of rough surfaces with

cavernous microstructure is better.

The second part of the article introduces the research progress of secondary water

droplet erosive testing device, and then completes selection of scheme of secondary

water droplet testing device. This testing device contains three parts：waterway part, gas

path part and optical unit(image acquisition part). At last, it has been verified that this

testing device can achieve the established test target.

The third part of the article introduces experimental method how to research the

effect to the formation of secondary droplets by solidliquidinterphase and manufactures

sample blades with different surfacecharacteristics.And then, this part also introduces

experimentcondition and experimental process. At last, experimentaldata has been

handled analyzed by Matlab software.The results showed particalsizes of secondary

droplets broken from the sample blades which are handled into hydrophilic surface are

smaller than these common blades. The wakes of hydrophilic sample blades with

several branches are longer. It is conducive for stream to tear the liquid and form

smaller secondary droplets. Because of smaller particalsizes, it is easy for airflow

carrying secondary droplets. All above help reduce water erosion damage to the next

blade.



Keywords: steam turbine, secondary droplet, interface behavior,

super-hydrophobic

摘要

ABSTRACT

第一章绪论 .................................................................................................................... 1

1.1 课题的背景和意义 ................................................................................................ 1

1.2 汽轮机中水蚀现象 ................................................................................................ 2

汽轮机内湿蒸汽两相流的形成过程

1.2.1 .............................................................. 2

汽轮机内湿蒸汽两相流的水滴种类及特性

1.2.2 .................................................. 3

湿蒸汽两相流的产生对汽轮机性能的影响

1.2.3 .................................................. 3

水蚀问题国内外研究进展

1.3 ..................................................................................... 5

水蚀问题的解决方法

1.4 ............................................................................................. 6

主动防护措施

1.4.1 ................................................................................................. 6

1.4.2 被动防护措施 ................................................................................................ 8

论文的研究内容和主要工作

1.5 ................................................................................. 8

第二章水蚀现象的理论基础 ...................................................................................... 10

2.1 形成水蚀的原因 .................................................................................................. 10

影响水蚀的主要参数

2.2 ............................................................................................ 11

2.2.1二次水滴撞击叶片表面的速度 ..................................................................... 11

水滴尺寸

2.2.2 ......................................................................................................... 11

二次水滴的撞击角度

2.2.3 .................................................................................... 12

叶片材料的机械性能

2.2.4 .................................................................................... 12

叶片材料的表面性能

2.2.5 .................................................................................... 12

金相组织结构

2.2.6 ................................................................................................ 13

高速气流雾化液体机理

2.3 ....................................................................................... 13

一次及二次雾化机理

2.3.1 .................................................................................... 13

雾化现象的波动原理

2.3.2 .................................................................................... 14

汽轮机内二次水滴的雾化机理

2.3.3 .................................................................... 14

液滴冲蚀固体叶片机理

2.4 ....................................................................................... 15

本章小结

2.5 ............................................................................................................... 16

第三章界面特性的理论基础及试验研究 .................................................................. 17

界面特性的理论基础

3.1 ........................................................................................... 17

3.1.1 表面张力 ....................................................................................................... 17

固

3.1.2 -液界面 ....................................................................................................... 18

3.2 试验部分 .............................................................................................................. 21

具有规则微观结构的粗糙表面的设计及制备

3.2.1 ............................................ 21

试验仪器

3.2.2 ........................................................................................................ 23

试验方法

3.2.3 ........................................................................................................ 23

试验结果分析和讨论

3.3 ........................................................................................... 23

微观结构特征为柱形的粗糙表面

3.3.1 ................................................................ 23

微观结构特征为孔状的粗糙表面

3.3.2 ................................................................ 26

结论

3.4 ....................................................................................................................... 28

第四章二次水滴试验台设计与搭建 .......................................................................... 29

4.1 二次水滴试验装置综述 ...................................................................................... 29

二次水滴试验台总体设计

4.2 ................................................................................... 32

设计目标

4.2.1 ........................................................................................................ 32

试验台设计方案

4.2.2 ............................................................................................ 32

二次水滴试验台的组成

4.2.3 ................................................................................ 33

主要部分设计

4.3 ....................................................................................................... 34

风机系统

4.3.1 ........................................................................................................ 34

试验段管道及试样叶片设计

4.3.2 ........................................................................ 36

水路系统的设计

4.3.3 ............................................................................................ 38

水蚀试验台光路系统的设计

4.3.4 ........................................................................ 39

4.4 试验台的验证 ...................................................................................................... 40

4.5 本章小结 .............................................................................................................. 40

第五章试验 .................................................................................................................. 41

5.1 试验方法 .............................................................................................................. 41

不同界面特性的试样叶片的选择

5.1.1 ................................................................ 41

试验条件

5.1.2 ........................................................................................................ 44

试验过程

5.1.3 ........................................................................................................ 44

像素标定过程

5.2 ....................................................................................................... 45

试验结果

5.3 ............................................................................................................... 45

试样叶片边缘的脱流尾迹的形态

5.3.1 ............................................................... 45

二次水滴尺寸

5.3.2 ................................................................................................ 48

二次水滴的速度

5.3.3 ............................................................................................ 51

本章小结

5.4 ............................................................................................................... 52

第六章试验数据处理及分析 ...................................................................................... 53

试验数据图像处理

6.1 ............................................................................................... 53

图像预处理

6.1.1 .................................................................................................... 53

灰度图像分割

6.1.2 ................................................................................................ 55

图像的形态学处理

6.1.3 ........................................................................................ 57

图像二次水滴粒度分布统计

6.1.4 ........................................................................ 58

二次水滴尺寸数据处理结果

6.2 ............................................................................... 59

普通试验叶片的二次水滴粒径分布

6.2.1 ............................................................ 59

亲水试验叶片的试验结果

6.2.2 ............................................................................ 62

二次水滴平均粒径统计

6.2.3 ................................................................................ 65

二次水滴速度数据处理结果

6.3 ............................................................................... 66

试验处理结果分析

6.4 ............................................................................................... 67

二次水滴粒径及其分布的结果分析

6.4.1 ............................................................ 67

二次水滴速度的结果分析

6.4.2 ............................................................................ 68

本章小结

6.5 ............................................................................................................... 69

第七章结论与展望 ...................................................................................................... 70

主要结论

7.1 ............................................................................................................... 70

本文展望

7.2 ............................................................................................................... 70

主要符号 ........................................................................................................................ 72

参考文献 ........................................................................................................................ 73

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ............................................ 78

致谢 .............................................................................................................................. 79

后记 .............................................................................................................................. 80

第一章绪论

1.1 课题的背景和意义

电能是国家经济现代化建设最重要的因素之一，电力工业的发展直接影响着

国家工农业的发展水平。近几年来，电力工业持续以超过 GDP 增长速度的态势平

稳快速发展。截止至 2012 年底，我国全社会用电量及发电装机容量不断增长，全

年全社会用电量 49591 亿千瓦时，新增装机容量 8700 万千瓦，发电装机容量达到

11.44 亿千瓦。电力生产方面，2012 年全国全口径发电量 49774 亿千瓦时，比上年

增长 5.22%。其中，火电发电量 39108 亿千瓦时，占全国发电量的 78.6%，可以看

出火力发电目前仍旧是电力发展的主力军[1]。在今后数年，预计我国新增的火电装

机容量仍然将以很快的速度增长。

近年来燃汽轮机的装机容量有较大程度的提高，新增火电装机容量中的绝大

多数仍然是汽轮发电机组。汽轮机是通过叶栅使蒸汽膨胀做功变热能为机械能的

旋转叶轮机械，与其他原动机相比，它具有单轴功率大、效率高、运转平稳和使

用寿命长等优点[2]。从首台单级冲动式汽轮发电机组 1883 年投运以来，汽轮机经

历经了一百多年的发展[3]。

汽轮机的发展向着高参数、大容量、高效率方向迈进，但由于材料方面的限

制，进汽参数不可能无限制地提高。因此，研究湿蒸汽两相流问题并改进汽轮机

中效率最低的低压汽轮机的设计成为科研人员的一个主要研究方向。

若想提高凝气式汽轮机中低压级的效率，需要面对湿蒸汽两相流问题，而湿

蒸汽问题与蒸汽轮机几乎同时诞生[4]，并伴随至今。湿蒸汽的产生和存在带来以下

三方面的问题：第一，湿蒸汽的存在降低了汽轮机低压级效率。1912 年Baumann

就提出了修正湿汽损失影响汽轮机效率的经验公式，他给出的关系式相当于平均

湿度每上升 1%，效率约降低 1%[5]，直至目前，这一结论仍被广泛应用。第二，

湿蒸汽中存在的大粒径水滴会使低压级动叶片受到相当严重的水蚀破坏。第三，

湿蒸汽的产生给低压缸效率计算带来了困难。众所周知，在湿蒸汽区，压力与温

度不是相互独立的参数，所以必须寻找另一个参数——湿度（或干度）才能快速

确定汽流的状态点，而后计算效率[6]。否则，只能通过完整的热力性能试验得到低

压缸的效率，而这一过程极其耗资耗时。

对汽轮机中湿蒸汽流动的研究，除了解湿汽流中湿度大小及其变化情况外，

对水滴的粒度及分布的掌握也是十分必要的[7]。另外，根据两相流理论和经典自发

凝结理论，这些水滴的形成和存在状态与流场有密切关联。因此，准确测量湿蒸

界面特性对二次水滴产生的影响研究

汽两相流中水滴及流场参数，对于深入研究汽轮机内湿蒸汽两相流、降低汽轮机

湿汽损失，减少水蚀和提高机组运行安全性具有重要意义。

1.2 汽轮机中水蚀现象

1.2.1 汽轮机内湿蒸汽两相流的形成过程

由锅炉产生的高温高压过热蒸汽进入汽轮机，经过逐级膨胀，同时降温降压，

膨胀后的高速汽流推动动叶做功。当干蒸汽越过饱和线时，并不会立即析出雾滴，

而是形成过冷蒸汽，此时它的温度低于当地蒸汽压力所对应的饱和温度，即它具

有一定过冷度（当地蒸汽压力的饱和温度与蒸汽的实际温度之差称之为过冷度）。

随着膨胀过程继续进行，过冷度逐渐增大，当蒸汽膨胀到 Wilson 线，这时蒸汽会

突然凝结出大量极微小水滴（直径仅几纳米）并迅速长大，同时放出可观的凝结

潜热，对蒸汽加热，致使流动加速，并逐渐恢复热力学平衡状态。蒸汽分子连续

凝结到已有的水滴上，使它们逐步长大。在膨胀率非常高的地方，比如在静叶根

部和末级动叶顶部，过冷度会达到自发凝结再发生点。这将引起许多小直径雾滴

与第一次产生的水滴混合，发生第二次云雾状现象（即二次成核）[8]。

一些雾滴由于它们的质量惯性力作用（惯性沉积）在流过叶道过程中不能很

好地跟随蒸汽流线而沉积在叶片压力面。由于叶片表面边界层紊流速度波动（扩

散沉积），另一些水滴也被迁移到叶片表面。这些水滴在表面上凝聚成水膜和小溪

流。如图 1-1 所示，叶片表面的水膜由于蒸汽粘性的拖动以低速向出汽边流动。从

叶片出汽边分离出来成膜状或带状的水开始处于低速尾迹流中，首先被周期性地

撕裂成相当大（毫米大小）的水滴，紧接着在高速汽流作用下这些水滴进一步破

裂，形成粗糙水滴。粗糙水滴又被蒸汽进一步加速，冲击动叶进口边，这就导致

动叶顶部进口边的冲蚀危险[4]。

图 1-1 湿蒸汽汽轮机内水的形式图解

第一章绪论

1.2.2 汽轮机内湿蒸汽两相流的水滴种类及特性

汽轮机内的湿蒸汽是多尺寸分布的。当亚稳定过冷蒸汽突然形成湿蒸汽两相

流时，在很短时间内，对应着一系列不同的过冷度，产生了一系列不同半径的凝

结核。在以后的蒸汽膨胀过程中，这些凝结核心又各以不同的速率通过蒸汽分子

的不断凝结而生长，所以新产生的湿蒸汽中细微水珠具有尺寸分布带。即这种湿

蒸汽在形成阶段就是多尺寸水珠系统，而不单单由于水珠碰撞和合并产生的。另

一方面，工作在湿蒸汽区内的级间部分和出口部分，由于通流部分壁面上的水膜

破裂而形成的许多尺寸不一的较大水滴，以及大水滴在高速汽流冲击下形成更多

的小水滴，又构成性质不同的多尺寸分布水滴。这两部分水珠由于产生机理的不

同导致其各自不同的特点。蒸汽在膨胀时凝结形成的一次水滴，称为雾滴或小水

滴，虽然其在膨胀过程中还会继续长大，但粒径一般不超过 2µm。由于粒径较小，

一次水滴与主汽流跟随性好，与汽相几乎没有速度滑移，因此对汽轮机危害作用

不是很大。然而其数量浓度很大，约为 106～108颗/cm3，是湿蒸汽中所含水滴的主

要部分，一些文献认为，其在全部水滴中所占份额约为 95%[9]，它们在生成和生长

过程中导致的热力学损失是湿汽损失的主要因素。部分一次水滴沉积在静叶上形

成水膜，在气流作用下水膜破碎形成二次水滴，称为大水滴或粗糙水，如图 1-2

所示。其粒径较大，粒径分布较广，数目远低于一次水滴，其速度与水滴大小相

关。由于二次水滴的质量大，惯性也大，其与主汽流的跟随性差。虽然二次水滴

在湿蒸汽中所占比例较低，却是造成汽轮机动叶片水蚀的直接原因，严重影响汽

轮机运行的安全性。

图1-2 汽轮机中的二次水滴

1.2.3 湿蒸汽两相流的产生对汽轮机性能的影响

汽轮机内湿蒸汽的影响主要分两大类，即湿汽损失和水滴对叶片的侵蚀。

最早为考虑湿汽损失而提出的修正汽轮机效率的经验公式为 Baumann公式[5]：

)1( Y

Bdw



 。式中 w



、d



分别为湿蒸汽和干蒸汽的级效率，Y为排汽湿

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摘要大型火电厂中的汽轮机低压缸的后几级以及压水堆核电机组的大部分级都在湿蒸汽区内运行。湿蒸汽在高速流动膨胀时凝结形成的尺寸较小的一次水滴，部分一次水滴沉积在静动叶栅上形成水膜后在气流作用下在叶片尾缘破碎而形成的尺寸较大的二次水滴。二次水滴的质量大，惯性也大，因此与主汽流的跟随性差，是造成汽轮机动叶片水蚀的直接原因，严重影响汽轮机运行的安全性。由此，开展蒸汽轮机内二次水滴问题的研究意义重大。文章第一部分制作了四组具有不同规则微观结构、粗糙度由1.2到2.0的粗糙表面，并测量了各个粗糙表面的表观接触角。而后将各组粗糙表面的接触角测量值与Wenzel模型预测值和Cassie模型预测值进行比较，分析了...

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