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。

风沙环境下混凝土、砂浆和水泥石的固体颗粒冲蚀磨损试验研究

根据戈壁的风沙流环境特点,采用气流挟沙喷射法,进行混凝土、砂浆和水泥石的冲蚀磨损试验,研究风沙流速度、冲蚀角度、冲蚀时间和沙流量对混凝土、砂浆和水泥石冲蚀磨损的影响。结果表明:混凝土、砂浆和水泥石的冲蚀率与风沙流速度近似呈线性关系,相比于混凝土和水泥石,砂浆的冲蚀率受风沙流速度的影响更大,拟合直线的斜率达2.25;混凝土、砂浆和水泥石的冲蚀率随冲蚀角度的增加而增加,冲蚀角为90°时冲蚀率最高,与脆性材料的冲蚀规律一致,其中砂浆的冲蚀率受冲蚀角度的影响更大;混凝土、砂浆和水泥石进入稳态冲蚀阶段所需的孕育期不同,在同样的试验条件下,混凝土和水泥石约需4min,砂浆约需5min;在相同的冲蚀时间内,C30混凝土试样的冲蚀率随沙流量的增大先降低后增大。

超临界汽轮机调节级叶片固体颗粒冲蚀特性的研究

建立了高温条件下氧化铁颗粒撞击12Cr材料的冲蚀模型,并将此模型与透平级三维气固两相流运动特性的数值计算相结合,计算和分析了一台超临界汽轮机调节级在设计工况下喷嘴与动叶表面上的冲蚀量分布。计算结果表明,喷嘴压力面接近出口边缘的区域以及动叶压力面中后部区域是最容易受到固体颗粒冲蚀的部位,并且动叶易受冲蚀部位最大冲蚀量约为喷嘴易受冲蚀部位最大冲蚀量的1.5倍。

SK型静态混合器固体颗粒冲蚀磨损分析

为研究SK型静态混合器内固体颗粒对混合元件的冲蚀程度,采用固-液两相流及计算流体力学方法(CFD),建立冲蚀及流场模型,运用Ansys Workbench中的流体动力学模块,对SK型静态混合器内的颗粒运动轨迹和颗粒对静止元件的冲蚀情况进行分析。结果表明:颗粒对静止元件的冲蚀主要发生在元件的螺旋边缘处,在总元件的3/5个处达到最大,且靠近入口和中间段的元件冲蚀量也较大;除冲击角度外,颗粒平均直径和平均冲蚀速度对冲蚀的作用最为关键,当颗粒粒径、速度和体积分数达到某一组合时产生的冲蚀现象最严重;冲蚀现象是固体颗粒的物理属性和流场特性的综合作用结果。

子午面成型对超临界汽轮机调节级喷嘴固体颗粒冲蚀特性的影响

建立了氧化铁颗粒撞击12Cr材料高温的冲蚀率模型,并与叶栅的三维流场和固体颗粒运动特性的数值计算方法一道,计算与分析了1台超临界汽轮机调节级喷嘴顶部采用平直子午面和收缩子午面两种情况下,氧化铁颗粒对于喷嘴叶片的撞击区域和撞击参数以及喷嘴表面的冲蚀量分布,结果表明:子午面收缩能够有效地减小叶片表面上受严重侵蚀的范围并降低最大当地冲蚀量。与平直子午面喷嘴相比,受严重侵蚀的区域面积降低约60%,最大当地冲蚀量降低约1 3。

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.

高参数汽轮机喷嘴材料抗固体颗粒冲蚀机制研究

在设计、搭建的高温高速加速冲蚀试验台上对高参数汽轮机常用的6种喷嘴材料进行了高温抗固体颗粒冲蚀试验研究，并对试验后的材料表面进行了微观分析。研究结果表明：6种喷嘴母材均表现出典型的塑性材料冲蚀特性，最大冲蚀率对应的角度在（24±4）°范围内，速度指数在2．7～3范围，均高于Finnie冲蚀模型中的对应数值。在氧化皮颗粒小角度冲蚀下，喷嘴的冲蚀破坏主要足由颗粒的微切削所致。而在大角度冲蚀下，喷嘴材料表面主要受到粒子的正应力作用而产生严重的凿削和塑性变形。通过对试验结果进行系统分析，文中在Finnie微切削冲蚀模型的基础上建立了适用于工程实际的高参数汽轮机喷嘴材料抗吲体颗粒冲蚀预测模型。该研究结果深化了高参数汽轮机喷嘴高温颗粒冲蚀机制，为综合防治叶栅冲蚀破坏和预测喷嘴高效做功寿命提供了参考。

超音速火焰喷涂制备NiCr-Cr_(3)C_(2)涂层防固体颗粒冲蚀性能研究

用超音速火焰喷涂技术在10Cr9Mo1VNb耐热钢基体上制备了NiCr-Cr_(3)C_(2)耐冲蚀金属陶瓷涂层,620℃下用Fe_(2)O_(3)颗粒分别以210 m/s和300 m/s的速度对基体和涂层进行冲蚀实验;利用金相显微镜、显微硬度计、扫描电子显微镜、激光显微系统研究了涂层的金相组织、硬度、冲蚀形貌及元素分布;通过质量冲蚀率表征冲蚀结果。结果表明:涂层组织致密,碳化物颗粒分布均匀;硬度范围在760 HV~930 HV之间。210 m/s冲蚀速度下,NiCr-Cr_(3)C_(2)涂层的冲蚀率仅为0.1292%,约为基体冲蚀的1/6;300 m/s冲蚀速度NiCr-Cr_(3)C_(2)涂层冲蚀率为3.3165%,约为耐热钢基体冲蚀率的1/2。涂层表现出脆性材料和韧性材料混合冲蚀机制,基体材料表现为典型的韧性材料冲蚀机制。采用超音速火焰喷涂工艺制备的NiCr-Cr_(3)C_(2)涂层表现出优异的防固体颗粒冲蚀性能。

汽轮机再热后级内颗粒冲蚀特性

汽轮机再热后级内叶片受到固体颗粒冲蚀,严重影响着汽轮机的安全经济运行。以某超临界汽轮机再热后第1+1/2级(第一级与相邻级的喷嘴)扭叶片为研究对象,通过拉格朗日法模拟不同粒径颗粒三维运动轨迹,并采用Finnie冲蚀模型,研究不同动静轴向间隙及不同负荷下颗粒对叶片的冲蚀特性。结果表明,由于动叶高速旋转,颗粒撞击到动叶时会获得与主流方向相反的速度,进而又反弹回静叶。较大粒径颗粒在动静叶片轴向间隙内"反复反弹"是造成再热后级内冲蚀的主要原因。适当增大动静轴向间隙可以有效地减少反弹回静叶的颗粒数量。当动静轴向间隙为5 mm时,反弹回静叶的颗粒为10%,轴向间隙增大为8 mm时,没有颗粒反弹回静叶。当机组负荷降低时,固体颗粒撞击叶片后的反弹角增大、反弹回静叶的数量增多,颗粒在动叶和下级静叶轴向间隙内反弹后,只有极少颗粒能够流出下级静叶。

高参数汽轮机喷嘴防治颗粒冲蚀技术研究

通过试验和数值模拟系统研究了高参数汽轮机调节级喷嘴抗固体颗粒冲蚀及其高效全寿命周期机制,首次提出进汽流道结构优化是延长喷嘴组冲蚀寿命的最主要途径。在喷嘴选型和优化时推荐特征参数G大于且远离0.3的喷嘴和后加载型线,采用带局部加厚的端壁收缩和满足强度的缩小喷嘴。另外,提出以初始缺口作为喷嘴高效做功功能失效的准则,并依据调节阀蒸汽流量和调节级后压力随服役时间的变化趋势来监控喷嘴的冲蚀状态。这些结果对确保高参数机组全寿命周期高效率运行具有重要指导意义。

汽轮机喷嘴固粒冲蚀模化试验系统及测试方法

基于相似模化理论，并结合数值模拟结果自行设计研制出超超临界、超临界、亚临界3种汽轮机调节级喷嘴蒸汽参数范围的高温高速气固两相流模化试验系统，为研究叶片材料抗固粒冲蚀特性和粒子运动行为规律提供必需的试验条件。为人工生成上述条件下的气固两相流，还研制出一种可调性宽、稳定性良好的固体颗粒加料系统，并对影响加料量脉动因素及其抑制方法进行了专题研究；利用PIV技术并经过多次尝试获得温度在650℃以下、粒子尺寸为2—150μm范围、颗粒群速度为150～500m／s的速度矢量场及其运动行为特征；借助快速响应的电子秤并结合取样、调节和控制等多路辅助子系统解决了颗粒加料量的静态和瞬态测量难题；为说明本模化试验系统的主要功能和关键参数的测试方法，文中还给出2个试验研究实例及其典型结果。

一种激波驱动的新型固粒冲蚀试验系统

针对目前大部分固体颗粒冲蚀试验系统存在反弹颗粒干扰、颗粒质量计算误差大等问题,采用激波驱动气固两相流的方式,并结合动态压力传感器、高速摄影仪对激波及颗粒测速的方法,设计了1种新型冲蚀磨损试验系统,具有结构简单、操作方便、颗粒质量计算准确等优点.该装置最大激波马赫数可达2.3,能将颗粒加速到200 m/s以上,适用不同颗粒、材料及表面处理试件进行15～90°冲击角下的磨损特性试验.通过SiO2颗粒对低碳钢的冲蚀试验,证实了该装置测得数据与经典试验数据规律一致.因此,本试验系统有望作为1种新的冲蚀磨损试验方法,应用于耐固粒冲蚀的优化设计和寿命预测等领域.

风力机叶片涂层风沙冲蚀磨损特性的风洞试验研究

传统的挟沙冲蚀试验台与风沙风洞难以构建均匀风沙流场,难以准确反映风力机叶片的风沙磨损特性。因此,在改造的风沙风洞中,通过对风力机叶片平板试样开展涂层冲蚀磨损试验,探究不同冲击速度、冲击角度及有效截面质量流率对风力机叶片涂层材料冲蚀特性的影响规律。试验结果表明:有效颗粒质量流率一定时,在相同冲击速度与冲击时间内,磨损量在冲击角度约为30°时达到最大。小于30°时,磨损量随冲击角度的增大而快速增加,大于30°时磨损量随冲击角度的增大而逐渐降低;磨损量随冲击速度的增大而增大;磨损量随有效颗粒质量流率的增大而呈线性增大趋势;切削磨损量与总磨损量有相同趋势,冲击磨损量随着冲击角度的增大而逐渐增大。

过热器和再热器管内壁的高温水蒸汽腐蚀研究

介绍了国内外亚临界、超临界大型火力发电机组过、再热器内壁高温水蒸汽氧化腐蚀情况、形成的主要原因和危害,并提出了相应的处理措施。

冲蚀磨损下单晶硅(111)面的断裂行为

实验选取单晶硅为研究对象,分别经静态压下、球形粒子冲击试验和角状粒子冲击试验,然后对各种材料表面断裂形态进行了比较,探究了固体颗粒冲蚀的磨损机制,阐述了在冲蚀条件下,试样有限表层空间所发生的特有的绝热应变,以及塑性耗尽时由绝热应变所导致的材料最终断裂,讨论了材料表层赫兹断裂与解理断裂之间的竞生现象.发现晶体学特征对冲蚀过程中材料表层断裂有很大影响,因此在一般的冲蚀过程中不能忽视.

静叶斜置对高参数汽轮机再热后第一级叶栅冲蚀的影响

在高温、高速加速冲蚀试验结果所建立的叶栅材料冲蚀率模型和粒子反弹模型的基础上,利用三维数值计算法模拟、分析了静叶斜置对超临界及超超临界汽轮机再热后第一级叶栅冲蚀特性的影响.结果表明:再热后第一级静叶斜置角度为30°时,静叶压力面最大冲蚀失重减小了约30%,吸力面尾缘的冲蚀破坏明显减轻,级效率仅下降0.1%;进一步增大斜置角度,再热后第一级叶栅抗磨性能提升并不明显,级效率下降了1%;减小斜置角度会使静叶压力面最大冲蚀失重增加23%,叶栅抗磨性能显著降低.该研究结果可为减轻再热后第一级叶栅的冲蚀破坏提供技术依据.

表面粗糙对汽轮机通流部分性能影响的研究

汽轮机组在投入运行一段时间后,由于受结垢、固体颗粒冲蚀和腐蚀等因素的影响,汽轮机通流部分表面由光滑变得粗糙,从而影响汽轮机通流部分各级的功率和效率。介绍了导致汽轮机通流部分表面变粗糙的影响因素,论述了这些影响因素使通流部分表面变粗糙的过程以及通流部分表面粗糙造成汽轮机性能损失的机制,结合实例分析了表面粗糙对汽轮机通流部分性能的影响。

超（亚）临界汽轮机S．P．E．磨损及其防止措施

超（亚）临界汽轮机Ｓ．Ｐ．Ｅ．磨损及其防止措施汽机投产运行较长时间后，往往从锅炉炉管及主蒸汽管等内壁上脱落一些微细锈垢的固体颗粒，并随蒸汽冲人汽机，而使主蒸汽阀内阀、喷嘴、动叶片等处出现冲蚀磨损现象，此即所谓的汽机Ｓ．Ｐ．Ｅ．（固体颗粒冲蚀）磨损。随...

TC4钛合金表面渗碳复合TiN(Ti)膜层的抗冲蚀性能

为了改善硬质膜层的抗冲蚀性能,采用辉光离子扩渗及等离子增强电弧离子镀技术,在TC4合金表面制备了具有梯度渗碳及TiN(Ti)膜层的复合渗镀层,并分析了结构对于复合渗镀层性能的影响。结果表明,相对于未强化的TC4基体表面单层TiN及12周期复合Ti/TiN膜层,复合渗镀层的显微硬度及膜/基结合强度均得到了提高。冲蚀试验表明,TC4基体未渗碳前,表面单层TiN膜层呈现出脆性冲蚀开裂机制,12层复合Ti/TiN膜层由于多层复合结构的增韧效应,呈现出层状剥落及"冲蚀窝"损伤形貌。渗碳后,复合渗镀层的抗冲击韧性得到提高,单层TiN膜层在冲蚀条件下的膜/基界面脆性开裂明显被抑制。渗碳复合12周期Ti/TiN的复合渗镀层具有最佳的抗固体颗粒冲蚀性能,表现出明显的韧性损伤机制,冲蚀失重率降低了十余倍。抗冲蚀性能的提高可归结于复合渗镀层较高的表面硬度、界面强度和强韧性匹配。