弯叶片对二次水滴运动特性及水蚀的影响

姚 宏， 周 逊， 于晓军， 王仲奇

(1．哈尔滨工业大学 能源科学与工程学院，哈尔滨 150001；2．曼恩机械有限公司，江苏常州 213164)

弯叶片对二次水滴运动特性及水蚀的影响

姚 宏1， 周 逊1， 于晓军2， 王仲奇1

(1．哈尔滨工业大学 能源科学与工程学院，哈尔滨 150001；2．曼恩机械有限公司，江苏常州 213164)

为探索减轻工业汽轮机末级叶片水蚀的主动控制措施，从气液两相流动的运动特性出发，研究了水滴在级环境下的运动特性与二次水滴侵蚀问题.通过比较静叶不同弯曲设计对二次水滴的影响，得到了弯叶片影响静叶表面水滴运动特性的机理，提出以弯叶片控制二次水滴撞击范围与强度的方法.结果表明：静叶反弯能够减小二次水滴在叶展中部的速度，这一作用对二次水滴在静叶表面的运动也适用；静叶反弯能够增大二次水滴在叶片两端的速度，有利于二次水滴顺利通过动叶栅通道，减少二次水滴对动叶的撞击；静叶反弯通过改变二次水滴速度分布，大幅降低了动叶顶部吸力侧的水蚀程度，静叶反弯25°可使动叶高侵蚀率区域面积减小90%以上.

工业汽轮机； 弯叶片； 水蚀； 二次水滴； 气动设计

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

运行在湿蒸汽条件下的凝汽式汽轮机各级受到湿蒸汽凝结和气液两相流动的影响，不仅级性能下降，而且叶片也遭到水蚀破坏，这一问题已被研究了一百余年[1].水蚀的发展过程与“水滴石穿”的机理类似，破坏程度与水滴的大小、相对速度、撞击角度、材料硬度及撞击时间等因素密切相关[2].降低水蚀危险性的方法可分为被动防护和主动控制2类.被动防护水蚀的方法有动叶表面超亲水处理[3]、局部电火花强化、镶焊耐水蚀合金片、火焰淬硬、激光合金化及激光熔覆等工艺技术[4]，此类方法通过提高动叶受水滴撞击部位的强度来降低水蚀危险性，但长期运行后仍有叶片损伤的隐患.主动控制水蚀的方法有增大静叶与动叶的轴向间隙、空心静叶除湿或加热、静叶表面开除湿槽及静叶顶部前掠等设计技术，此类方法通过减少直接撞击动叶的水滴数量来实现长期安全运行的目的.这2类方法均不能改变级性能因受湿蒸汽影响而下降的趋势.

近年来，随着理论研究、实验手段和数值模拟方法的进步，水蚀的研究也进一步深入.在湿蒸汽凝结、水滴运动、水蚀过程和流场影响等诸多方面出现了大量有价值的成果，有助于全面了解水蚀产生的原因，探索有效的改进方法.

湿蒸汽凝结与水滴运动方面的研究结果表明[5-6]，湿蒸汽在通道中凝结成细小的雾滴悬浮于气相中，大部分能够顺利通过叶栅通道，一小部分在静叶表面附着形成水膜.雾滴的沉积方式与雾滴直径有关，较小直径的雾滴以湍流扩散的方式沉积，较大直径的雾滴则主要在惯性作用下沉积.静叶表面的水膜在高速气流的带动下于静叶尾缘处脱落形成二次水滴，其直径从几微米到几百微米不等.二次水滴在静、动叶栅之间的运动受离心力的影响呈现出向上端壁倾斜的运动趋势.这些占湿度份额5%～10%的二次水滴对动叶的撞击是造成动叶水蚀的直接原因，且撞击部位集中在动叶顶部吸力侧附近.

动叶水蚀的破坏程度与运行时间、二次水滴撞击速度、撞击角度、撞击频率及金属材料等多种因素有关[7-9]，动叶水蚀初期为塑性变形与硬化，之后部分金属材料迅速脱落，发展到一定程度后因叶片表面出现“蜂窝”状结构，沉积其中的水滴减轻了二次水滴的撞击，随之保持一定时期的稳定状态.动叶水蚀造成叶片不完整，不仅降低了叶片的气动性能，也存在断裂的隐患.从被动防护机理来看，采取这些措施能够延长动叶的安全运行时间，但不能完全消除动叶水蚀失效的隐患.

从气动设计角度来看，叶栅流场中压力、湿度和速度等参数的分布直接决定了湿蒸汽的凝结及雾滴沉积，也影响了二次水滴的运动，因此深入研究流场结构对二次水滴运动的影响对于从气动设计上减轻水蚀有重要意义.静叶的弯、扭、掠设计对流场有重要影响[10-12]，弯叶片能够改变压力沿径向的分布，进而通过改变通道涡的位置和结构来改变壁面附面层内低能流体的再分布；扭叶片能够改变出口压力和速度沿径向的分布；掠叶片通过改变压力和速度沿轴向的分布来影响流场.因此，可通过叶片的弯、扭、掠设计来改变二次水滴的运动规律，得到有利于减轻水蚀的设计方案.

鉴于工业汽轮机转速设计范围大，不同转速下叶片的气动设计受强度所限有较大区别，弯、扭、掠叶片的设计需要依据实际条件采用不同的方法.笔者基于工业汽轮机的设计特点，研究了弯叶片对二次水滴运动特性及水蚀的影响.

1 实验验证与金属侵蚀模型

图1展示了水蚀较为严重的动叶.由图1可知，水蚀最为严重的部位是靠近顶部的进汽侧，由叶片顶部至中部，水蚀程度逐渐减弱.基于对水蚀现象的认识和实际状况，采用数值模拟方法研究水滴与蒸汽的两相流动.

图1 水蚀后的动叶

数值模拟通过ANSYS-CFX完成，网格生成通过TurboGrid完成.为考虑气相与液相之间的相互拖动影响，模拟蒸汽与水滴的两相流动，在本文的水蒸气可凝结流动中采用Euler多相流模型、Lagrange方法研究水滴的运动特性.基于工业用水蒸气性质定义了新的湿蒸汽工质，在后处理阶段增加金属侵蚀模型来评价叶片水蚀程度.

1.1 数值模拟方法实验验证

采用实验方法测量叶栅中水滴的分布及运动特性是难以实现的，尤其是水滴的生成及其在流场中的分布，机理研究通常采用气液两相数值模拟方法完成[13].但采用实验方法研究水滴在蒸汽中的运动轨迹及沉积规律相对而言还是容易实现的.

于瑞侠等[14]完成了波纹板气液两相流动的实验，此实验中的气液两相流动机理与汽轮机中的水滴蒸汽两相流动机理相同.为此，首先用实验中间距为10 mm的A形波纹板气液两相流动的实验结果来验证数值模拟方法的合理性.实验中雾化喷嘴出口的水滴在M形通道中实现气水分离，水滴直径及其质量服从正态分布.数值模拟中水滴直径分别为5 μm、10 μm和15 μm；空气进口速度在3～8 m/s内每增加1 m/s为一个工况条件，分别模拟3种水滴的运动.

以进口速度5 m/s为例，图2给出了不同直径的水滴在波纹板中的运动轨迹，其中灰色线表示气流轨迹，黑色线表示水滴运动轨迹.由图2可知，直径较小的水滴能够很好地跟随气流运动，直径较大的水滴则很容易附着在壁面.这表明水滴直径较小时受到湍流脉动的影响，水滴运动轨迹发生改变；直径较大时惯性力占主导地位.

(a)水滴直径5 μm

(b)水滴直径10 μm

(c)水滴直径15 μm

图3给出了不同进口速度下气流压损的数值结果与实验值对比.由于实验中无法保持水滴直径完全一致，其气流压损是不同直径水滴共同作用的结果，数值模拟是基于实验条件给定了水滴直径，因此实验值与数值结果不完全一致，但两者也相当吻合.由图3可知，不同进口速度下5 μm直径水滴产生的气流压损最大，这是因为较小直径的水滴能够更好地跟随气流运动，由进口至出口始终受气流拖动力作用，造成气流动能耗散.直径较大的水滴在惯性力的作用下很容易附着在壁面上，对气流的动能耗散作用仅维持在附着于壁面之前这一范围内，因此气流压损要小一些.

图3 不同进口速度下的气流压损

1.2 金属侵蚀模型

物体表面受水滴等粒子撞击的侵蚀效果是粒子撞击速度、粒子性质及壁面性质的复杂函数.金属侵蚀的主要影响因素是粒子的撞击角度和速度，式(1)为材料力学中定量比较金属侵蚀效果的侵蚀率计算公式[15].

(1)

利用式(1)来评价水滴对动叶表面的冲蚀效果可以定量比较不同流场结构时二次水滴的冲蚀强度.因此，本文通过这种方式来比较弯叶片的效果.

2 计算方法与弯叶片设计

采用ANSYS-CFX来模拟叶栅流场.考虑到动叶水蚀主要是由二次水滴造成的，并且二次水滴是由附着在静叶表面的雾滴形成的，数值模拟中在静叶表面按湿度分布给定了不同直径的水滴分布，水滴直径为5～300 μm，质量平均直径为200 μm.基于实际情况，数值模拟中设置水滴运动至顶部端壁时附着于端壁，重点研究动叶的水蚀.考虑到叶片表面粗糙度对水滴运动的影响，按实际条件设置了壁面粗糙度.末级叶栅中部叶型主要几何参数见表1.

给定进口总压为16.573 kPa，进口湿度为0.020 3，出口给定静压为8.52 kPa.为避免计算结果对网格的依赖性，首先进行网格无关性验证.以静叶直叶片方案为例，取级网格节点数量分别为20万、26万、33万、42万和56万进行数值模拟.

图4给出了不同网格级别所得由进口至出口同一流线上的压力分布，流向相对位置0、1和2分别表示静叶进口、级间和动叶出口.由图4可知，不同网格节点数量的计算结果几乎相同，即网格节点数量为20万以上时能够得到正确的结果.

表1 叶栅几何参数

图4 不同网格节点数量下压力沿流向的分布

表2给出了不同网格节点数量下级总体性能.由表2可知，网格节点数量超过20万时其对级总体性能的影响很小.为详细查看流场结果，在弯叶片研究中均取网格节点数量为56万左右.

表2 不同网格节点数量下的级性能参数

笔者设计了10种不同弯角的弯叶片方案来研究弯叶片对二次水滴运动的影响.弯叶片设计参数如图5所示，叶片弯高设置在平均直径处，根部与顶部对称弯曲.弯角为尾缘连线与径向辐射线的夹角，压力侧与壁面夹角为锐角即压力面凸起为正弯，反之为反弯.在弯叶片方案中弯角由-25°增至25°，每增加5°为一个弯叶片方案，弯角为0°时即为直叶片.

在弯叶片的设计中，如果考虑性能上的要求，还需考虑弯高、根部与顶部弯角不同等多个设计参数的影响.鉴于本文研究重点是弯叶片对二次水滴运动的影响，特别是水滴在静叶表面的运动及其在静叶尾缘脱落后在级间的运动，仅研究上述方案并分析弯叶片的作用.

图5 弯叶片示意图

3 结果与讨论

图6给出了弯角由-25°增至25°时级等熵效率的变化.由图6可知，弯角相同时反弯叶片的级等熵效率要高于正弯叶片，在当前条件下静叶采用直叶片设计具有最高的级等熵效率，采用反弯设计时级等熵效率略有下降，但与正弯叶片相比下降缓慢.实际上，与叶片相关的多个参数对级等熵效率都有影响，各参数也并非是独立的，不能认为弯叶片一定会导致级等熵效率下降.从弯叶片设计方法和气动设计的角度来看，级等熵效率在直叶片的基础上仍有进一步提高的可能.下面在级等熵效率较小的变化范围内重点研究弯叶片降低水蚀危险性的机理.

图6 级等熵效率随弯角的变化

图7给出了静叶采用反弯25°、直叶片和正弯25°时对二次水滴运动的影响，其中浅色流线为叶片表面的蒸汽流线，深色流线为二次水滴在叶片表面及之后的流线.为便于查看，图中仅显示了二次水滴在静叶表面及动叶前缘这一段.由图7(a)与图7(b)对比可知，静叶反弯25°后气流在静叶表面的流动向叶展中部倾斜，且蒸汽速度分布也有所改变；在蒸汽拖动作用及水滴黏性作用下，附着在静叶表面的水滴(即水膜)向叶展中部运动，这样就减少了撞击动叶顶部的二次水滴数量.与此相反，由图7(b)与图7(c)对比可知，静叶正弯25°后，附着在静叶表面的水滴向两端运动，撞击动叶顶部的水滴数量增加.

(a)静叶反弯(b)静叶直叶片(c)静叶正弯

图7 二次水滴和蒸汽的运动轨迹

Fig.7 Tracks of secondary water droplets and steam

蒸汽凝结后呈雾状分布，其中一部分附着在静叶表面，这些水滴在静叶尾缘脱离后形成二次水滴，二次水滴的直径很小，一般在几微米至几百微米，压力场对其影响较小.二次水滴脱离静叶尾缘后仍保持原有速度方向，初速度取决于其在静面表面的速度.由于周向相对分速度较大，二次水滴在静叶尾缘至动叶前缘这一空间运动时，受较强的离心力作用开始径向加速；另一方面，二次水滴也受气流拖动的影响，沿蒸气流线方向加速运动.二次水滴的这一加速过程与静叶和动叶之间的轴向间隙密切相关，距离越长则二次水滴与气流的速度越接近.为避免静叶和动叶之间轴向间隙的影响，在数值模拟中设置相同的静叶尾缘至动叶前缘的距离.这样，影响二次水滴在静叶和动叶之间运动的主要因素是叶片弯角.

由水蚀作用机理及静叶出口速度三角形可知，水滴速度越大(有助于顺利通过动叶栅通道)，撞击动叶表面时与壁面的夹角越小，水蚀程度越轻.图8给出了各方案下静叶出口气流速度沿展向的分布.由图8可知，静叶反弯后气流速度在叶展中部减小、两端增大，在这种气流速度分布作用下，二次水滴在叶展中部受气流加速影响较小、在两端受其影响较大，减轻了动叶顶部的水蚀危险性.正弯叶片的作用与之相反，二次水滴在顶部速度较小，水蚀危险性较高.

图9给出了静叶出口静压分布.正弯叶片建立起压力的“C”形分布，在30%～70%叶高范围内压力降幅较小，在两端压力升幅较大；反弯叶片的作用与此相反.值得注意的是，反弯叶片能够大幅提高叶展中部的压力，也即大幅减小叶展中部的气流速度；对两端的影响则小一些.叶展中部压力提高、湿度减小可减少二次水滴数量；顶部压力降低、气流速度增大有助于提高二次水滴的速度.气流速度与静压的分布呈相反趋势，即二次水滴的数量与速度的变化趋势是相反的.利用弯叶片的这种作用机理能够改变叶片展向各处二次水滴产生的数量及其速度，使之向有利的方向发展.

图8 静叶出口气流速度分布

图9 静叶出口静压分布

为直接比较水蚀危险性的变化，图10给出了由式(1)计算所得的动叶侵蚀率分布云图，其中侵蚀率采用了无量纲化处理.水蚀主要发生在吸力侧靠近前缘附近，此区域的深色区域为高侵蚀率区域.与静叶直叶片、正弯25°的效果相比，静叶反弯25°极大地减小了动叶吸力侧顶部的侵蚀率，高侵蚀率区域的面积减小90%以上.静叶正弯25°明显增大了动叶顶部的侵蚀率.由图10(a)也可看到静叶反弯25°后动叶中部的侵蚀率有所增大，实际上此处的水滴数量很少，在本文条件下，动叶中部的水蚀危险性仍然较低.

影响水蚀程度的另一个重要因素是汽轮机的运行时间.运行时间越长，动叶的水蚀程度也相应增加.减轻二次水滴撞击动叶的强度(即动叶表面的侵蚀率)延长了汽轮机的安全运行周期.

(a)静叶反弯(b)静叶直叶片(c)静叶正弯

图10 侵蚀率分布云图

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

4 结 论

(1)静叶反弯大幅度地提高了叶展中部的静压，湿度减小，二次水滴在叶展中部产生的数量减少，撞击动叶顶部附近的二次水滴数量相应减少，减轻了动叶的水蚀程度.

(2)静叶反弯降低了顶部与根部附近的静压，二次水滴在顶部区域的速度增大，有利于二次水滴跟随气流通过动叶栅通道，减少对动叶的撞击.

(3)静叶反弯通过改变静压、速度分布改变了二次水滴的静压及速度分布，静叶反弯25°使得动叶顶部高侵蚀率区域大幅减小，高侵蚀率区域面积减小90%以上.

总的来说，利用弯叶片可改变二次水滴的运动特性，在气动设计中合理设计静叶的弯曲形式可减小动叶表面的侵蚀率，从而降低了动叶水蚀的危险性，延长了工业汽轮机安全运行时间.

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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

国家自然科学基金资助项目(51421063)

姚 宏(1977-)，男，内蒙古赤峰人，工程师，博士，研究方向为叶轮机械气动热力学.电话(Tel．)：18514250907； E-mail：mchyh@163.com．

1674-7607(2017)10-0808-06

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