CN102128060A

CN102128060A - 一种超疏水空心除湿静叶

Info

Publication number: CN102128060A
Application number: CN2011101082363A
Authority: CN
Inventors: 胡雪蛟; 谢诞梅; 侯佑民; 秦汉时
Original assignee: Wuhan University WHU
Current assignee: Wuhan University WHU
Priority date: 2011-04-28
Filing date: 2011-04-28
Publication date: 2011-07-20

Abstract

本发明涉及一种超疏水空心静叶，在空心静叶表面布置超疏水微纳米结构；所述超疏水微纳米结构在空心静叶表面的布置位置，包括静叶表面水滴沉积与水膜生成部位以及静叶吸力面和压力面上水膜易撕裂、破碎的位置。所述微纳米超疏水结构，其表面接触角大于150°。本发明利用微纳米结构，控制纳米级液滴团簇的大小和规模，维持蒸汽在跨过饱和线以后的亚稳态流动，防止大水滴和水膜的形成，从根本上减小水蚀的产生。本发明结构简单，能广泛应用于火力发电厂或核电站中的大型汽轮发电机组，在不改变机组结构的基础上，可大幅度提高空心除湿静叶的除湿效率，完全满足大型汽轮发电机组安全、高效生产的需要。

Description

一种超疏水空心除湿静叶

技术领域

本发明涉及一种超疏水空心除湿静叶，属于汽轮机技术领域。

背景技术

我国电力的70%来自热力发电，其中大多数以汽轮机为原动机。静叶片是固定在隔板上静止不动的叶片，由两个相邻叶片构成不动汽道，是把蒸汽的热能转变成动能的结构元件。在静叶栅中蒸汽的压力和温度下降，流速增加。动叶片又将动能转变为机械能带动发电机转子转动。

当过热蒸汽来到末级叶片时，部分蒸汽会冷凝形成湿蒸汽。汽轮机内湿蒸汽所引起的水蚀问题不仅会侵蚀损坏叶片，而且会使整个机组的效率下降。目前运用较为广泛的汽轮机内部除湿技术是利用通流部分的压差或水滴的惯性力，将水份引入压力较低的区域并将其排除。内部除湿装置的结构形式主要有以下几种：

（1）将静叶做成空心叶片，在吸力面和压力面上开槽，利用除湿槽内外压差把叶片表面的水膜或水流由空心腔室抽出沿隔板径向外侧引向凝汽器。

（2）在动、静叶后设置除湿槽和捕水腔室，收集由于离心力而飞向外缘的水份。

（3）在隔板静叶通道的外端壁开设除湿槽，利用叶道与隔板外部空心腔室的压差将端壁表面的水膜或水流，然后在排除至低压区域。

以上各种方法的除湿效率基本上徘徊在 10%左右，远不能满足防止大型机组除湿防蚀的需要。

发明内容

本发明所要解决的问题是提供一种超疏水空心静叶，该新型静叶可利用超疏水微纳米功能结构，控制纳米级液滴团簇的大小和规模，维持蒸汽在跨过饱和线以后的亚稳态流动，防止大水滴和水膜的形成，从根本上消除导致水蚀的危险因子，减小水蚀产生的危害。这种除湿静叶的除湿防蚀效果优异，不改变汽轮机现有除湿装置结构，可以广泛地应用于火力发电厂的超（超）临界汽轮机组、核电机组与舰载汽轮机中。

本发明所采用的技术方案是：

一种超疏水空心除湿静叶，在空心静叶表面布置超疏水微纳米结构；所述超疏水结构在空心静叶表面的布置位置，包括静叶表面水滴沉积与水膜生成部位以及静叶吸力面和压力面上水膜易撕裂、破碎的位置。

更具体的方案是：

所述静叶表面水滴沉积与水膜生成部位，为吸力面0～0.25相对叶宽之间，压力面0～0.8相对叶宽之间。

所述静叶吸力面和压力面上水膜易撕裂、破碎的位置，为吸力面背弧弧顶0.3～0.5相对叶宽之间，吸力面与压力面尾缘0.8～1.0相对叶宽之间。

所述超疏水微纳米结构，室温常压下，和水的表面接触角（CA）大于150°，滚动角(SA)为2°～10°。

本发明所涉及的静叶表面的超疏水微纳米结构的制备，可以采用已知的各种常规的微纳米结构的制备方法，包括以下方法：

1. 化学刻蚀法

利用金属中缺陷优先腐蚀的性质，用蚀刻剂腐蚀Zn、Cu和Al等多晶型金属，当金属中的位错暴露在酸性刻蚀剂中时，位错的起始点形成了凹坑。刻蚀后的锌表面形成了宽5～15μm的小丘及平行分布的纳米凹槽结构；而刻蚀后的铜表面形成了弹坑状凹坑及分散的纳米粒状结构。这些结构经低表面能物质疏水处理后，CA>150°， SA<10°。

或使用氢氧化钠溶液腐蚀铝和铝合金的表面，得到了孔径为300～600 nm、壁厚为0.8～1μm的铝多孔表面以及直径为10～15μm、岛状结构的铝合金表面，分别用氟烷或乙烯基有机硅疏水修饰后，也得到金属基底的超疏水表面。或者用盐酸刻蚀铝合金，刻蚀后铝合金表面由长方体状的凸台和凹坑构成了深浅相间的“迷宫”结构，经氟化处理后，CA≈156°，SA≈5°。

2. 复合涂层法

利用聚四氟乙烯和聚苯硫醚复合聚合物，采用一步成膜法在铝、铜、钢等金属材料表面构筑出了同时具备低表面能疏水基团及多孔网状微一纳米结构的超疏水涂层，其孔壁厚为10～40μm，孔径为5～20μm。该涂层具有优异的超疏水性能，CA≈165°，SA≈4°，具有良好的耐酸碱介质性能、耐高低温及长期稳定性能。

3. 可控氧化法

在纯铜表面通过控制氧化过程制备出花朵状CuO膜，每朵纳米花由数十个长约2μm、宽约120 nm、厚约12 nm的CuO纳米片自组装而成，经氟硅烷修饰后，获得静态接触角为158°的超疏水表面。

4. 浸泡法

将铜板浸入十四烷基酸中反应，铜表面形成一层微纳米复合结构的铜脂肪酸盐。在浸泡过程中，铜表面先形成零星小的纳米片和簇。随着时间的延长，纳米片和簇逐渐长大，密度增加，最后形成一种稳定的薄膜覆盖整个表面，由这些聚集体紧密堆积而成的铜表面的CA≈160°，SA≈2°。

本发明的超疏水空心叶片，可以应用于火力发电厂的超（超）临界汽轮机组、核电机组与舰载汽轮机中。具有以下有益效果：

1. 该发明利用超疏水表面的完全液相不浸润特性防止过饱和蒸汽析出的纳米液滴在静叶表面沉积形成水膜和大水滴，从根本上减少静叶尾缘大水滴的形成，进而降低大水滴进入动叶时所引起的水蚀危害。

2. 该发明在不改变现有汽轮机结构的前提下，使除湿防蚀效率显著提高。

附图说明

图1实施例1制备的超疏水铜表面的SEM。

图2实施例1水滴沉积7分钟后，超疏水表面和铜表面的液滴沉积情况对比。

图3实施例1水滴沉积12分钟后，超疏水表面和铜表面的液滴沉积情况对比。

图4实施例1水滴在超疏水表面和铜表面上的接触角对比。

图5静叶表面水滴沉积量百分比。

图6沉积水滴直径d=1.4

Figure 2011101082363100002DEST_PATH_IMAGE001

时，在叶片表面分布。

图7沉积水滴直径d=2.4

时，在叶片表面分布。

具体实施方式

本发明公开一种超疏水空心静叶，在空心静叶表面布置超疏水微纳米结构；所述超疏水结构在空心静叶表面的布置位置，包括静叶表面水滴沉积与水膜生成部位以及静叶吸力面和压力面上水膜易撕裂、破碎的位置。

所述静叶吸力面和压力面上水膜易撕裂、破碎的位置，为吸力面0.3～0.5相对叶宽之间，吸力面与压力面0.8～1.0相对叶宽之间。

所述超疏水微纳米结构，表面接触角（CA）大于150°，滚动角(SA)为2°～10°。

所述的超疏水微纳米结构可以使用已知的各种技术来制备。

下面通过实施例，进一步阐明本发明，仅在于说明本发明而决不限制本发明。

实施例1

取铜板试样，将其浸入n-十四烷基酸的乙醇溶液中。室温下放置3天后，将浸入溶液的铜板试样取出，用去离子水和乙醇进行彻底清洗，并将铜板试样置于空气阴干。实验观测制备完成的超疏水表面接触角在156°～163°之间，滚动角在2°～5°。超疏水铜表面的形貌如图1所示。以打磨后光滑铜表面(接触角约70°)和制备完成的超疏水表面分别为实验待测对象，在小型风洞内进行超疏水表面水滴沉积实验。风洞截面积为120mm×120mm，风洞上游生成含有微小水滴的射流（湿度为0.001%~0.0013 %），以2.56 m/s风速吹向实验待测表面。实验待测表面（面积为25 mm×25 mm）被放置于风洞中央，并与垂直迎风面夹角为45°。7分钟后，超疏水表面和铜表面的液滴沉积情况如图2所示，12分钟实验结果如图3所示，水滴在不同表面上的接触角如图4所示，其中上方为超疏水表面，下方为铜表面。经60 min水滴沉积实验后，光滑铜表面的水膜最大面积约为80mm²，水滴初次滑落时间为实验后约25 min；超疏水表面的水滴最大尺寸3 mm，水滴初次滑落时间为实验后约16 min。

实验结果显示：在光滑铜表面，微小水滴不断生长形成较大尺寸的水滴，进而汇聚形成水膜；而在超疏水表面，微小水滴只形成了细小颗粒的水珠，未形成水膜，且水滴在超疏水表面驻留的时间明显缩短。这说明超疏水纳米结构所具有的完全液相不浸润特性，可以明显减少微小水滴在表面的沉积、生长和驻留。

实施例2

通过湿蒸汽模型UDF函数与水滴沉积离散相模型，对某型汽轮机末级静叶栅内部湿蒸汽流动与水滴沉积情况进行数值模拟计算。该型末级静叶弦长为215mm，喷嘴出口角为30.3°，叶片节距为135mm。进口总压平均值为18793.76Pa；进口总温330.96K；静叶栅出口背压平均值11924.83Pa；空心静叶叶片内腔室出口的压力为9200Pa；湿蒸汽进口湿度为0.0794，出口湿度为0.083。进口水滴粒径分布参照试验结果设置，水滴的平均直径为23. 21

，直径分布在1. 5～150之间，其中约95 %的水滴直径小于 100

。

计算结果显示：叶片表面总沉积量占进口水滴总量的63.58%；吸力面总沉积量占进口水滴总量的8.89%，压力面总沉积量占进口水滴总量的54.66%，水滴沉积量百分比如图5所示，其中横坐标为进口水滴直径，纵坐标为静叶表面沉积水量占静叶入口总水量的比例。

沉积水滴直径d=1.4

时，在叶片表面分布如图6所示，沉积水滴直径d=2.4

时，在叶片表面分布如图7所示，其中，横坐标正方向为压力面相对叶宽，负方向为吸力面相对叶宽。纵坐标为水滴表面沉积率（即静叶表面不同位置沉积水量占静叶表面总沉积量的比例）。由该计算结果显示：小直径水滴在静叶表面主要的沉积位置为吸力面0～0.25相对叶宽之间，压力面0～0.9相对叶宽之间。现有空心除湿静叶除湿槽的开设位置一般为吸力面相对叶宽0.25处，压力面相对叶宽0.8处。

Claims

1.一种超疏水空心除湿静叶，其特征是：在空心静叶表面布置超疏水微纳米结构；所述超疏水微纳米结构在空心静叶表面的布置位置，包括静叶表面水滴沉积与水膜生成部位以及静叶吸力面和压力面上水膜易撕裂、破碎的位置。

2.如权利要求1所述的超疏水空心除湿静叶，其特征是：所述静叶表面水滴沉积与水膜生成部位，为吸力面0～0.25相对叶宽之间，压力面0～0.8相对叶宽之间。

3.如权利要求1或2所述的超疏水空心除湿静叶，其特征是：所述静叶吸力面和压力面上水膜易撕裂、破碎的位置，为吸力面背弧弧顶0.3～0.5相对叶宽之间，吸力面与压力面尾缘0.8～1.0相对叶宽之间。

4.根据权利要求1或2所述的超疏水空心除湿静叶，其特征是：所述超疏水微纳米结构，室温常压下和水的表面接触角为150°～180°，滚动角为2°～10°。