CN106988792B - 蒸汽涡轮、蒸汽涡轮喷嘴及管理蒸汽涡轮中水分的方法 - Google Patents

蒸汽涡轮、蒸汽涡轮喷嘴及管理蒸汽涡轮中水分的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及蒸汽涡轮、蒸汽涡轮喷嘴及管理蒸汽涡轮中水分的方法。蒸汽涡轮的去除表面上的亲水表面图案在至少一个预定方向上引导表面水分，以通过增强水分去除或另外减小由于蒸汽涡轮中的水分所引起的腐蚀来增强水分管理。在一些实施例中，去除表面位于喷嘴壁的外表面上邻近提取开口。在一些实施例中，去除表面位于动叶的表面上并且朝向涡轮转子引导水分。在一些实施例中，去除表面位于涡轮壳体的表面或喷嘴的表面上，且朝向涡轮壳体中的排出口引导水分。亲水表面图案优选激光蚀刻为纳米级图案来产生亲水表面。在一些实施例中，亲水表面图案产生超亲水表面。

Description

蒸汽涡轮、蒸汽涡轮喷嘴及管理蒸汽涡轮中水分的方法
技术领域
本发明涉及蒸汽涡轮。更具体地，本发明涉及具有用于增强的水分管理的亲水表面图案的蒸汽涡轮。
背景技术
蒸汽涡轮从蒸汽流提取功，以通过经由将蒸汽供应到固定叶片(喷嘴)和运动的叶片(动叶)的级联而将锅炉产生的高温高压蒸汽的能量转换成旋转能以产生动力。典型蒸汽涡轮可包括与许多叶轮相关联的转子。叶轮可沿着转子的长度彼此间隔开，以限定一系列涡轮级。涡轮级设计为以高效的方式从在从涡轮的进口到出口的流动路径上行进的蒸汽提取有用功。随着蒸汽沿着该流动路径行进，蒸汽导致叶轮驱动转子。蒸汽可逐渐膨胀，且蒸汽的温度和压力可逐渐降低。接着蒸汽可从涡轮的出口排出，以便重新使用或其它。更高温蒸汽涡轮可产生增大的输出，因为蒸汽的升高的温度会增大可用于提取的总体能量。
大体上描述，典型蒸汽涡轮可包括高压区段、中压区段以及低压区段。区段可串联地布置，其中各个区段包括任意数量的级。在区段内，从蒸汽提取功来驱动转子。在区段之间，蒸汽可被再次加热，以便在下一区段中做功。高压区段和中压区段可以以比较高的温度操作，以便提高总体蒸汽涡轮输出。
随着压力和温度变化，蒸汽变湿润。随着蒸汽流过动叶和喷嘴的涡轮级，包含在蒸汽中的水分在包括喷嘴的涡轮表面上冷凝成细小的水滴。这些细小的水滴组合成粗的水滴，其由蒸汽流驱散并且与喷嘴下游的动叶碰撞。碰撞通过高速冲击而抑制动叶的转矩，且因此降低涡轮的总性能。粗的水滴也可导致动叶表面的腐蚀，这会降低动叶的空气动力学性能和截面厚度且因此缩短它们的使用寿命。
包含在蒸汽中的水分以水的薄膜的形式主要沉积在喷嘴的凹表面上。水薄膜在喷嘴的表面上积聚且流向后缘，同时厚度增大。水薄膜作为水滴从喷嘴的后缘释放。如果水薄膜为厚的，则释放大且粗的水滴。
在蒸汽涡轮中，水滴形式的后级水分可在最后级涡轮叶片上产生显著的腐蚀。随着水滴的大小增大，由水滴产生的腐蚀的量增大，因此去除水分或另外地防止形成粗的水滴可能对于降低腐蚀为有效的。传统地，控制涉及保护方法，诸如在后级叶片中安装钴-铬合金(诸如以PA，Latrobe的Kennametal公司的商标Stellite的销售的那些)腐蚀护罩、在动叶中使用挡油环(slinger)凹槽、动叶前缘的火焰硬化、选择具有改进的水滴腐蚀性质的合金、或改进通过壳体的提取。通过上游隔板喷嘴中的槽或孔进行的提取也已经用于去除水分。其它水分去除方法包括局部地加热蒸汽流或加热喷嘴。
发明内容
在一示例性实施例中，蒸汽涡轮包括涡轮壳体、设置在涡轮壳体中的涡轮转子、从涡轮转子延伸的至少一个动叶、以及由涡轮壳体支承的至少一个喷嘴。涡轮壳体，动叶，以及喷嘴中的至少一个的去除表面上的至少一个亲水表面图案以预定方向引导去除表面上的水分，以便增强蒸汽涡轮中的水分去除。
在另一示例性实施例中，蒸汽涡轮喷嘴包括喷嘴壁，其具有内表面、外表面、从外表面到内表面穿过喷嘴壁的至少一个提取开口、以及在喷嘴壁的外表面上邻近提取开口的亲水表面图案。
在另一示例性实施例中，形成用于增强的水分去除的蒸汽涡轮的方法包括在蒸汽涡轮的涡轮壳体、至少一个动叶以及至少一个喷嘴中的至少一个的去除表面上激光蚀刻至少一个亲水表面图案，以便以预定方向引导去除表面上的水分，以增强蒸汽涡轮中的水分去除。蒸汽涡轮包括涡轮壳体、设置在涡轮壳体中的涡轮转子、从涡轮转子延伸的动叶、以及由涡轮壳体支承的喷嘴。
技术方案1. 一种蒸汽涡轮，包括：
涡轮壳体；
设置在所述涡轮壳体中的涡轮转子；
从所述涡轮转子延伸的至少一个动叶；以及
由所述涡轮壳体支承的至少一个喷嘴；
其中，所述涡轮壳体、所述动叶以及所述喷嘴中的至少一个的去除表面上的至少一个亲水表面图案在所述去除表面上沿预定方向引导水分，以便增强所述蒸汽涡轮中的水分管理。
技术方案2. 根据技术方案1所述的蒸汽涡轮，其特征在于，所述亲水表面图案是超亲水的激光蚀刻的纳米级图案。
技术方案3. 根据技术方案1所述的蒸汽涡轮，其特征在于，所述喷嘴包括喷嘴壁，其具有内表面、外表面和从所述内表面到所述外表面穿过所述喷嘴壁的至少一个提取开口，且其中，所述去除表面位于所述喷嘴壁的外表面上邻近所述提取开口，以便增强通过所述提取开口的水分去除。
技术方案4. 根据技术方案3所述的蒸汽涡轮，其特征在于，所述去除表面位于所述喷嘴壁的上游侧邻近所述提取开口。
技术方案5. 根据技术方案3所述的蒸汽涡轮，其特征在于，所述亲水表面图案朝向所述提取开口引导所述去除表面上的水分。
技术方案6. 根据技术方案3所述的蒸汽涡轮，其特征在于，所述提取开口是槽。
技术方案7. 根据技术方案1所述的蒸汽涡轮，其特征在于，所述去除表面位于所述涡轮壳体的表面上且朝向所述涡轮壳体中的排出口引导水分。
技术方案8. 一种蒸汽涡轮喷嘴，包括：
喷嘴壁，其具有内表面、外表面、从所述外表面到所述内表面穿过所述喷嘴壁的至少一个提取开口、以及所述喷嘴壁的外表面上邻近所述提取开口的亲水表面图案。
技术方案9. 根据技术方案8所述的蒸汽涡轮喷嘴，其特征在于，所述亲水表面图案是超亲水的激光蚀刻的纳米级图案。
技术方案10. 根据技术方案8所述的蒸汽涡轮喷嘴，其特征在于，所述亲水表面图案位于所述喷嘴壁的上游侧邻近所述提取开口。
技术方案11. 根据技术方案8所述的蒸汽涡轮喷嘴，其特征在于，所述亲水表面图案朝向所述提取开口引导冷凝的水分。
技术方案12. 根据技术方案8所述的蒸汽涡轮喷嘴，其特征在于，所述提取开口是槽。
技术方案13. 一种管理蒸汽涡轮中的水分的方法，包括：
在所述蒸汽涡轮的涡轮壳体、至少一个动叶以及至少一个喷嘴中的至少一个的去除表面上激光蚀刻至少一个亲水表面图案，以沿预定方向在所述去除表面上引导水分，以便增强所述蒸汽涡轮中的水分管理，所述蒸汽涡轮包括：
所述涡轮壳体；
设置在所述涡轮壳体中的涡轮转子；
从所述涡轮转子延伸的动叶；以及
由所述涡轮壳体支承的喷嘴。
技术方案14. 根据技术方案13所述的方法，其特征在于，还包括：
形成所述喷嘴的喷嘴壁，其具有内表面和外表面；和
形成从所述外表面到所述内表面穿过所述喷嘴壁的至少一个提取开口；
其中，所述去除表面位于所述喷嘴壁的外表面上邻近所述提取开口。
技术方案15. 根据技术方案14所述的方法，其特征在于，所述去除表面位于所述喷嘴壁的上游侧邻近所述提取开口。
技术方案16. 根据技术方案13所述的方法，其特征在于，所述亲水表面图案是超亲水的激光蚀刻的纳米级图案。
技术方案17. 根据技术方案13所述的方法，其特征在于，所述去除表面位于所述动叶的表面上并且引导水分远离所述涡轮壳体。
技术方案18. 根据技术方案13所述的方法，其特征在于，所述去除表面位于所述涡轮壳体的表面上并且朝向所述涡轮壳体中的排出口引导水分。
技术方案19. 根据技术方案13所述的方法，其特征在于，所述激光蚀刻包括以高能飞秒长激光脉冲为所述外表面激光蚀刻在1到500纳米大小范围中的图案。
技术方案20. 根据技术方案13所述的方法，其特征在于，还包括在激光蚀刻之前抛光所述去除表面。
结合附图，从优选实施例的以下更详细的描述，本发明的其它特征和优点将显而易见，附图以实例的方式显示了本发明的原理。
附图说明
图1示意性地显示了根据本公开的蒸汽涡轮系统。
图2示意性地显示了根据本公开的、图1的蒸汽涡轮的具有亲水表面图案的低压区段的一部分。
图3示意性地显示了根据本公开的、具有提取开口和亲水表面图案的喷嘴的截面图。
图4示意性地显示了根据本公开的、具有提取开口和亲水表面图案的喷嘴的截面图。
图5示意性地显示了根据本公开的、具有提取开口和亲水表面图案的喷嘴的截面图。
只要有可能，相同的参考标号将在整个附图中用于表示相同的部件。
部件列表：
100 蒸汽涡轮系统
101 涡轮转子
103 旋转轴线
104 外部负载
105 高压(HP)区段
107 中压(IP)区段
109 低压(LP)区段
110 高压涡轮壳体
111 高压蒸汽入口
113 高压蒸汽出口
115 再热器
117 中压蒸汽入口
119 中压蒸汽出口
120 中压涡轮壳体
121 低压蒸汽入口
123 低压出口
125 联接件
130 低压涡轮壳体
131 动叶
133 喷嘴
134 去除表面
135 亲水表面图案
137 提取开口
139 排出口
141 喷嘴壁
143 内表面
145 外表面
147 内腔。
具体实施方式
提供了在蒸汽涡轮中沿至少一个预定方向引导表面水分的至少一个亲水表面图案。在一些实施例中，亲水表面图案是产生亲水表面的激光蚀刻的纳米级图案。在一些实施例中，亲水表面图案产生超亲水表面。本公开的实施例，例如，与未能包括本文所公开的特征中的一个或更多个的构思相比，通过增强水分去除、减小蒸汽涡轮中(特别是低压区段中)由水分导致的腐蚀、或者它们的组合，而实现了增强的水分管理。
边界级涡轮动叶中的腐蚀的控制是合乎需要的且通常是必须的。随着涡轮设计的进步，设计者通常面对更大量的水分的出现以及新材料的出现，其中的一些是难以利用传统的防护来保护的。有效地去除水分和控制水滴大小以及位置会改进边界动叶寿命以及涡轮空气动力学效率。涡轮效率受减少的水分和减少的腐蚀积极地影响，因为初始设计的翼型件形状维持更长的时间段。与仅使用槽或孔或覆层的现有技术相比，水分去除的更高效率是通过使用亲水表面图案实现的。
使用亲水表面图案还容许优化更高效地朝向提取开口引导水分所需要的提取开口的数量、大小和/或位置。该优化优选减小了提取开口的数量和大小。减小提取开口的大小和数量通过避免了喷嘴内部的更高的真空水平而进一步改进了涡轮性能的效率。减少真空会减小拉入到喷嘴中的蒸汽的体积，从而留下更多蒸汽在下游可用，以提供更多动力。在一些实施例中，亲水表面图案是亲水或超亲水的激光蚀刻的纳米级图案。
更大体积的水分从流动流去除，因为减小了离开提取开口的水滴的频率。减小槽或孔的数量会降低制造成本。因为由于包括提取开口而引起的喷嘴中的应力梯级的数量可利用较少的槽/孔而减少，故可使用较不昂贵的材料用于喷嘴制造。
在基于隔板喷嘴的提取系统中，亲水表面图案策略性地位于用作提取点的提取开口前面，以便实现冷凝的水分从更大的表面区域朝向提取点的增强的提取。在一些实施例中，提取开口是孔或槽。这增大了所提取的水的体积，并且可用于减少实现有效的腐蚀减少所需要的孔或槽的数量和大小。来自旋转的转子和动叶的离心力导致沉积在动叶上的水分远离转子移动，且沉积在喷嘴的上部部分上或壳体上。亲水表面图案和提取开口优选定位成远离喷嘴长度的上部40%来收集水分。亲水表面图案和提取开口更优选定位成远离喷嘴长度的上部30%来收集水分。从壳体的内部向喷嘴的内腔施加的减小的压力或吸力从喷嘴内腔去除通过提取开口收集的水分。
在一些实施例中，亲水表面图案定位在动叶上，以便向下朝向转子以及远离壳体来引导水。来自旋转的转子和动叶的离心力导致沉积在动叶上的水分远离转子且朝向壳体而移动，且动叶上的亲水表面图案用来对抗该水分移动中的一些。该亲水表面图案优选定位成从动叶长度的上部40%的区域引导水分朝向转子。亲水表面图案更优选地定位成从动叶长度的上部30%的区域引导水分朝向转子。该亲水表面图案可包括一系列箭头图案，其还通过防止较小的滴联合成较大的滴(其会通过与下游表面的冲击而导致更大的腐蚀)来减小离开动叶的滴的大小。
在一些实施例中，亲水表面图案位于喷嘴上或壳体表面上邻近壳体中的排出口，以实现冷凝的水分从更大的表面区域朝向排出口的增强的吸取。
用于亲水表面图案的上述位置中的各个可单独地或者与其它位置中的任何组合地使用。
在介绍本发明的多个实施例的元件时，冠词“一”、“一个”、“该”和“所述”意图表示存在一个或更多个元件。用语“包含”、“包括”和“具有”意图是包括性的，且表示可存在所列出的元件之外的额外的元件。
用来产生动力的系统包括但不限于蒸汽涡轮、燃气涡轮以及其它涡轮组件，诸如用于动力产生的蒸汽涡轮或陆基航改发动机(aero-derivative)。在一些应用中，动力产生系统，包括其中的涡轮机械(例如，涡轮，压缩机，和泵)以及其它机械，可包括暴露于重度磨损条件的物品。例如，旋转的物品可包括某些动力产生系统构件，诸如蒸汽涡轮转子或叶轮或燃气涡轮转子或叶轮，且可在高热和高转数环境中运行。
根据本公开，图1示意性地显示了蒸汽涡轮系统100的实例。蒸汽涡轮系统100包括绕着旋转轴线103可旋转地安装的涡轮转子101。蒸汽涡轮系统100包括高压(HP)区段105、中压(IP)区段107以及低压(LP)区段109，它们各自安装在转子101上。虽然图1显示了HP区段105、IP区段107以及LP区段109的一种布置，但本公开并非受如此限制；可使用HP区段105、IP区段107和/或LP区段109的任何合适的布置。HP区段105、IP区段107以及LP区段109中的各个包括叶片或动叶131(见图2)，它们分别在HP区段105、IP区段107以及LP区段109中的各个中周向地安装在HP、IP和LP壳体110、120、130中的转子101上。动叶131由供给至相应区段的蒸汽驱动，其中，由蒸汽产生的动叶131的旋转会产生机械功。涡轮系统100中产生的机械功经由转子101驱动外部负载104，诸如发电机。
如图1所示，高压蒸汽经由高压蒸汽入口111来供给。蒸汽在高压蒸汽出口113处从HP区段105排出并且供给至再热器115，在其中对蒸汽增加热。从再热器115，蒸汽经由中压蒸汽入口117供给至IP区段107。蒸汽在中压蒸汽出口119处从IP区段107排出，并且经由低压蒸汽入口121供给至LP区段109。然后蒸汽经由低压出口123从LP区段109排出。
HP区段105、IP区段107以及LP区段109中的各个经由联接件125沿着转子101连接。联接件125可为机械联接件，诸如螺栓接头，或可为焊接的接头。在一个实施例中，联接件125容许分离HP区段105、IP区段107和/或LP区段109中的任何一个来进行重构、维修或维护。
参见图2，LP区段109包括周向地插入有动叶131的涡轮转子101和支承喷嘴133的壳体130。动叶131和喷嘴133在涡轮转子101的轴向方向上以级进行布置。大体上，动叶131、壳体130和喷嘴133由如下材料构成，该材料包括合适的已知的涡轮动叶、壳体和喷嘴材料，包括但不限于钢、不锈钢、沉淀硬化的不锈钢、铝、钛、其合金或其组合。LP区段109包括至少一个去除表面134，其具有带亲水表面图案135的区域，该亲水表面图案135沿至少一个预定方向引导表面水分。动叶131上的该亲水表面图案135朝向转子101且远离壳体130引导表面水分。喷嘴133上的亲水表面图案135位于喷嘴133中的提取开口137上游，且引导表面水分朝向喷嘴133中的提取开口137。离心力导致沉积在动叶131上的水分在以水滴离开动叶131之前远离转子101而流动，且聚集在喷嘴133的上部部分以及壳体130的壁表面上。喷嘴133和壳体130的表面上的亲水表面图案135引导水分朝向壳体130中的排出口139。
在一些实施例中，蒸汽涡轮系统100是动力生成系统的一部分，其具有水分含量为大约10%的、在低压涡轮的最后级附近流动的湿蒸汽，因为蒸汽温度已经降低。
在其它实施例中，蒸汽涡轮系统100是核动力设备的部件，且具有与湿蒸汽一起操作的高压涡轮区段105，因为最初供应饱和蒸汽。在这样的实施例中，亲水表面图案135可位于蒸汽涡轮系统100的任何级中，以用于强化水分管理。
如本文中所用，亲水表面是具有小于90度的水接触角度的表面。水接触角度是通过水测量的角度，其中，水滴的水/空气界面遇到固体表面。在一些实施例中，亲水表面的水接触角度小于45度，备选地小于30度，备选地小于20度，备选地小于10度，或其任何合适的组合、子组合、范围、或子范围。如本文所用，超亲水表面是具有小于10度的水接触角度的表面。在一些实施例中，超亲水表面的水接触角度小于5度。
如本文所用，亲水表面图案135是形成于材料表面上的任何表面图案，其改变表面的形态而非覆盖表面，以提高表面的亲水性，使得具有亲水表面图案135的表面是亲水的。形态的改变可包括但不限于缺口、凸出、腔、凹槽、凸脊、球或杆。在一些实施例中，形态改变是微米级(micro-scale)的改变。在一些实施例中，形态改变是纳米级(nano-scale)的改变。能够产生亲水表面图案135的任何方法都可在本发明的精神内应用于改变表面的形态。在一些实施例中，具有亲水表面图案135的表面是超亲水的。
在一些实施例中，在激光蚀刻之前通过抛光技术处理去除表面134。抛光技术优选为去除表面134提供任何表面纹理，直至镜面状表面，其提高去除表面134通过激光蚀刻而接受亲水表面图案的接受度。该准备可包括但是不限于研磨、砂磨、磨光、石磨、电子磨光、化学打磨、拖擦抛光、或其任何组合。该处理可仅仅取决于所采用的亲水表面图案135的大小和深度而为选择性地需要的。
在一些实施例中，亲水表面图案135通过能够在喷嘴133、动叶131或壳体130上激光蚀刻图案的任何方法形成，以使得去除表面134亲水或与没有亲水表面图案135相比更加亲水。在一些实施例中，亲水表面图案135使得表面超亲水。在一些实施例中，用于激光蚀刻图案的激光是飞秒激光，也称为毫微微激光。在一些实施例中，飞秒激光通过利用高能的飞秒长的激光脉冲激光蚀刻去除表面而形成三维图案。激光蚀刻的图案可具有微米到纳米大小范围的图案。
在一些实施例中，激光蚀刻在去除表面134中产生材料的一个或更多个缺口，其具有凸出、腔、球、杆或其它规则地或不规则地成形特征的微米级粗糙(micro-rough)表面，该表面会增大表面的亲水性。在一些实施例中，该特征具有如下尺寸：在0.5到100微米范围中，备选地在25到75微米的范围中，备选地在40到60微米的范围中，或其任何合适的组合、子组合、范围、或子范围。在其它实施例中，激光蚀刻在去除表面134中产生材料的一个或更多个缺口，其具有凸出、腔、球、杆或其它不规则地成形特征的纳米级粗糙表面，该纳米级粗糙表面会增大去除表面134的亲水性。在一些实施例中，该特征具有如下尺寸：在1到500纳米的范围中，备选地在100到400纳米的范围中，备选地在200到300纳米的范围中，或其任何合适的组合、子组合、范围、或子范围。
在一些实施例中，激光蚀刻通过引导激光消融、干涉测量激光消融、近场激光消融、掩膜投影消融、激光辅助的化学蚀刻、来自激光消融羽流(plume)的沉积、或等离子纳米消融来实现。在一些实施例中，激光蚀刻使用飞秒持久激光脉冲来实现。如本文所用，飞秒持久激光脉冲是具有1到999飞秒范围中的持久时间的任何激光脉冲。在一些实施例中，激光脉冲具有100到750飞秒的范围中的持久时间。在一些实施例中，激光脉冲具有400到600飞秒的范围中的持久时间。
通过激光蚀刻产生的亲水表面图案135可为使得去除表面134亲水或更亲水的任何规则的或不规则的图案。在一些实施例中，通过激光蚀刻产生的亲水表面图案135使得去除表面134超亲水。在一些实施例中，亲水表面图案135沿着去除表面134以预定方向引导水分流。在一些实施例中，亲水表面图案135由于亲水表面图案135的特定图案的定向而以预定方向引导水分流。在一些实施例中，亲水表面图案135由于图案化区域的形状和定向而以预定方向引导水分流，因为水分基于亲水性而倾向于保持在表面的图案化区域内，同时在蒸汽涡轮运行期间基于具有亲水表面图案135的构件的移动或表面上的流体流而流动。
在一些实施例中，一个或更多个亲水表面区域产生在隔板喷嘴133上，使得冷凝的水分从喷嘴133的较大的表面区域上吸引，并且被引向设置成用于提取流体的增加体积的一个或更多个提取开口137。在一些实施例中，这些区域会减小去除预定量的水分所需的成本高昂的提取开口137(为机加工的孔或槽的形式)的数量，从而通过减小腐蚀而减小由机加工的孔或槽引起的喷嘴中的以及动叶中的局部应力梯级，并且能够使用较薄的壁区段或备选的材料。
参照图3，喷嘴133包括喷嘴壁141，其具有内表面143、外表面145、从外表面145到内表面143穿过喷嘴壁141的提取开口137、以及喷嘴壁141的外表面145上邻近提取开口137的去除表面134上的亲水表面图案135。亲水表面图案135位于提取开口137上游，并且朝向提取开口137抽取表面水分且将表面水分抽取到提取开口137中。所抽取的水分则流入到喷嘴壁141的内表面143限定的内腔147中。喷嘴壁141通常具有非对称的形状，图3的面向前方的外表面在形状上略微凹入，而图3中不可见的面向后方的外表面在形状上略微凸起。虽然亲水表面图案135和提取开口137在图3中显示为在凹入侧上，但亲水表面图案和提取开口可备选地或额外地位于凸起侧上。
参照图4，喷嘴133包括从外表面145到内表面143穿过喷嘴壁141的一对提取开口137，以及喷嘴壁141的外表面145上邻近提取开口137的去除表面134上的亲水表面图案135。亲水表面图案135位于提取开口137上游，且朝向提取开口137抽取表面水分，以及将表面水分抽取到提取开口137中。抽取的水分则流入喷嘴壁141的内表面143限定的内腔147中。虽然亲水表面图案135和提取开口137在图4中显示为在凹入侧上，但亲水表面图案和提取开口可备选地或额外地位于凸起侧上。
参照图5，喷嘴133包括从外表面145到内表面143穿过喷嘴壁141的三个提取开口137，以及喷嘴壁141的外表面145上邻近提取开口137的去除表面134上的亲水表面图案135。亲水表面图案135位于提取开口137上游，且朝向提取开口137抽取表面水分并将表面水分抽取到提取开口137中。抽取的水分则流入喷嘴壁141的内表面143限定的内腔147中。虽然亲水表面图案135和提取开口137在图5中显示为在凹入侧上，但亲水表面图案和提取开口可备选地或额外地位于凸起侧上。
虽然在图2中显示了排出口139的特定的大小、形状和位置，以及在图2-5中显示了提取开口的特定的大小、形状、数量和位置以及亲水表面图案135的特定的大小、形状、数量和位置，但排出口139、提取开口137和亲水表面图案135的任何合适的大小、形状、数量或位置都可用于实现预定的水分管理。在一些实施例中，亲水表面图案135仅仅覆盖正好在提取开口137前面的小区域，以便引导提取开口137附近的表面水分进入提取开口137中。在这样的实施例中，亲水表面图案135仅仅覆盖大小与提取开口137的区域大约相等的区域，备选地覆盖大约两倍的区域，备选地大约三倍的区域，备选地大约四倍的区域，备选地大约五倍的区域，备选地提取开口137的区域的大约两倍到大约五倍，或其任何合适的组合、子组合、范围、或子范围。
在一些实施例中，形成用于增强的水分管理的蒸汽涡轮100的方法包括在蒸汽涡轮100的涡轮壳体130、至少一个动叶131以及至少一个喷嘴133中的至少一个的去除表面134上激光蚀刻至少一个亲水表面图案135，以便以预定方向引导去除表面134上的水分，以增强蒸汽涡轮100中的水分管理。蒸汽涡轮100包括涡轮壳体110、设置在涡轮壳体110中的涡轮转子101、从涡轮转子101延伸的动叶131、以及由涡轮壳体110支承的喷嘴133。在一些实施例中，该方法包括形成喷嘴133的具有内表面143和外表面145的喷嘴壁141，以及形成从外表面145到内表面143穿过喷嘴壁141的至少一个提取开口137，其中去除表面134位于喷嘴壁141的外表面145上邻近提取开口137。亲水表面图案135优选在喷嘴壁141的上游侧邻近提取开口137。激光蚀刻优选包括利用高能飞秒长激光脉冲以1到500纳米大小范围中的图案来蚀刻外表面。
在一些实施例中，服务中的构件可去除不再服务，且亲水表面图案135可施加到构件的表面上。这样的构件可包括之前就具有带亲水表面图案135的去除表面134的那些，或之前不具有带亲水表面图案135的去除表面134的那些。在一些情况下，去除表面134可在蒸汽涡轮100的运行期间由于如下原因随着时间的推移而丧失其亲水性：该原因可包括但不限于在蒸汽涡轮系统100的运行期间对亲水表面图案135的损坏或外部物质沉积在亲水表面图案135上。在一些实施例中，去除表面134可在构件服务期间通过清洗具有亲水表面图案135的去除表面134或在去除表面134上激光蚀刻新的亲水表面图案135而再次制成亲水的或更亲水的。
虽然主要关于蒸汽涡轮的低压区段描述了本发明，但本发明可应用于其中水分去除将有利的任何其他系统，包括但不限于蒸汽涡轮的高压区段、蒸汽涡轮的中压区段或燃气涡轮的压缩机区段。
虽然已经参照一个或更多个实施例描述了本发明，但是本领域技术人员将理解，可作出多种改变，且等效物可替换其元件而不会偏离本发明的范围。此外，可作出许多修改来使特定的情形或材料适应本发明的教导而不会偏离其实质范围。因此，本发明意图不局限于作为构想为用来执行本发明的最佳模式而公开的特定实施例，而是本发明将包括落入所附权利要求的范围中的所有实施例。

Claims (10)

1.一种蒸汽涡轮(100)，包括：
涡轮壳体(130)；
设置在所述涡轮壳体(130)中的涡轮转子(101)；
从所述涡轮转子(101)延伸的至少一个动叶(131)；以及
由所述涡轮壳体(130)支承的至少一个喷嘴(133)；
其中，所述涡轮壳体(130)、所述动叶(131)以及所述喷嘴(133)中的至少一个的去除表面(134)上的至少一个亲水表面图案(135)在所述去除表面(134)上以预定方向朝向所述涡轮转子并远离所述壳体引导水分，以增强所述蒸汽涡轮(100)中的水分管理；
其中，在所述蒸汽涡轮的操作期间，所述至少一个亲水表面图案的图案的定向以所述预定方向朝向所述涡轮转子并远离所述壳体引导所述水分，所述亲水表面图案是激光蚀刻的纳米级图案，其中，所述亲水表面图案定位成从所述至少一个动叶的长度的上部30%的区域引导所述水分朝向所述涡轮转子。
2.根据权利要求1所述的蒸汽涡轮(100)，其特征在于，所述亲水表面图案(135)是超亲水图案。
3.根据权利要求1所述的蒸汽涡轮(100)，其特征在于，所述喷嘴(133)包括喷嘴壁(141)，其具有内表面(143)、外表面(145)、和从所述内表面(143)到所述外表面(145)穿过所述喷嘴壁(141)的至少一个提取开口(137)，且其中，所述去除表面(134)位于所述喷嘴壁(141)的外表面(145)上邻近所述提取开口(137)，以便增强通过所述提取开口(137)的水分去除。
4.根据权利要求3所述的蒸汽涡轮(100)，其特征在于，所述去除表面(134)位于所述喷嘴壁(141)的上游侧邻近所述提取开口(137)。
5.根据权利要求3所述的蒸汽涡轮(100)，其特征在于，所述亲水表面图案(135)朝向所述提取开口(137)引导所述去除表面(134)上的水分。
6.根据权利要求3所述的蒸汽涡轮(100)，其特征在于，所述提取开口(137)是槽。
7.根据权利要求1所述的蒸汽涡轮(100)，其特征在于，所述去除表面(134)位于所述涡轮壳体(130)的表面上，且朝向所述涡轮壳体(130)中的排出口(139)引导水分。
8.一种蒸汽涡轮喷嘴(133)，包括：
喷嘴壁(141)，其具有内表面(143)、外表面(145)、从所述外表面(145)到所述内表面(143)穿过所述喷嘴壁(141)的至少一个提取开口(137)、以及在所述喷嘴壁(141)的外表面(145)上邻近所述提取开口(137)的亲水表面图案(135)；
其中，所述亲水表面图案的图案的定向以预定方向朝向所述提取开口引导水分，所述亲水表面图案是激光蚀刻的纳米级图案，其中，所述亲水表面图案定位成从所述至少一个动叶的长度的上部30%的区域引导所述水分朝向涡轮转子。
9.一种管理蒸汽涡轮(100)中的水分的方法，包括：
在蒸汽涡轮(100)的涡轮壳体(130)、至少一个动叶(131)和至少一个喷嘴(133)中的至少一个的去除表面(134)上激光蚀刻至少一个亲水表面图案(135)，以便以预定方向朝向涡轮转子并远离所述壳体引导所述去除表面(134)上的水分，以增强所述蒸汽涡轮(100)中的水分管理，所述蒸汽涡轮(100)包括：
涡轮壳体(130)；
设置在所述涡轮壳体(130)中的涡轮转子(101)；
从所述涡轮转子(101)延伸的动叶；以及
由所述涡轮壳体(130)支承的喷嘴(133)；
其中，在所述蒸汽涡轮的操作期间，所述至少一个亲水表面图案的图案的定向以所述预定方向朝向所述涡轮转子并远离所述壳体引导所述水分，所述亲水表面图案是激光蚀刻的纳米级图案，其中，所述亲水表面图案定位成从所述至少一个动叶的长度的上部30%的区域引导所述水分朝向所述涡轮转子。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括：
形成所述喷嘴(133)的喷嘴壁(141)，其具有内表面(143)和外表面(145)；和
形成从所述外表面(145)到所述内表面(143)穿过所述喷嘴壁(141)的至少一个提取开口(137)；
其中，所述去除表面(134)位于所述喷嘴壁(141)的外表面(145)上邻近所述提取开口(137)。
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