CN112610285B - 一种仿金刚石晶胞拓扑的汽轮机空心静叶强化除湿结构及汽轮机除湿装置 - Google Patents

一种仿金刚石晶胞拓扑的汽轮机空心静叶强化除湿结构及汽轮机除湿装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种仿金刚石晶胞拓扑的汽轮机空心静叶强化除湿结构及汽轮机除湿装置，除湿装置包括多级汽轮机静叶，每级汽轮机静叶内均设有用于蒸汽加热除湿的空腔，汽轮机静叶的空腔内以金刚石晶胞成键方式为模板的仿生拓扑结构，仿生拓扑结构最小结构单元由一个中心连接件与四个角连接件通过柱体连接件连接构成；每个角连接件又作为新结构单元的中心连接件与另外四个角连接件通过柱体连接件相连，重复延伸扩展，形成充满整个静叶空腔用于强化传热的骨架。本发明有效提高空心静叶除湿性能的同时，增强其本身结构强度，使得相同结构材料可以用于更长的静叶片，有利于提高汽轮机性能。

Description

一种仿金刚石晶胞拓扑的汽轮机空心静叶强化除湿结构及汽 轮机除湿装置
技术领域
本发明属于汽轮机领域，涉及一种空心长静叶除湿技术，尤其涉及一种仿金刚石晶胞拓扑的汽轮机空心静叶强化除湿结构及汽轮机除湿装置。
背景技术
我国电力装备不断向大容量、高效及安全方向发展，设计开发原创性的汽轮机长叶片是我国大型动力装备制造自主化的重大需求。设计工况下湿蒸汽侵蚀是影响汽轮机安全、高效运行的重要因素，对于大功率汽轮机长叶片湿蒸汽问题尤为突出。空心静叶是一种被广泛使用的除湿方法，空腔内通入高温蒸汽以加热叶片达到除湿效果。更先进的原创型自主化长叶片要求更先进的静叶空腔结构。金刚石作为自然界中天然存在的最坚硬的物质，其晶胞中碳原子按四面体成键方式互相连接。借鉴金刚石优秀的力学结构，仿其晶胞制作介观尺度的周期性拓扑结构单元，应用于汽轮机静叶的内部通道中。
发明内容
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：
一种仿金刚石晶胞拓扑的汽轮机空心静叶强化除湿结构，包括汽轮机静叶，所述汽轮机静叶内设有用于蒸汽加热除湿的空腔，其特征在于：所述汽轮机静叶的空腔内设有以金刚石晶胞成键方式为模板的仿生拓扑结构，仿生拓扑结构最小结构单元由一个中心连接件与四个角连接件通过柱体连接件连接构成；每个角连接件又作为新结构单元的中心连接件与另外四个角连接件通过柱体连接件相连，重复延伸扩展，形成充满整个静叶空腔用于强化传热的骨架。
进一步地，仿生拓扑结构中，所述柱体连接件为圆柱体或者多棱柱。
进一步地，所述中心连接件和角连接件结构一样，为球体或者多面体。
进一步地，所述中心连接件和角连接件均为圆球，圆球直径记为d，连接圆球的柱体截面周长为P，柱体高度为L，则满足P<2πd，L>1.5d。
进一步地，每个最小结构单元内，四个角连接件相连构成一个正四面体。
进一步地，所述空腔分布在整个汽轮机静叶内，或者分布在凝结水膜分布较厚的汽轮机静叶表面内。
一种汽轮机除湿装置，包括多级汽轮机静叶，其特征在于：每级汽轮机静叶内均设有用于蒸汽加热除湿的空腔，每级汽轮机静叶内空腔的蒸汽入口与前一级空心静叶的蒸汽出口相对应，所述汽轮机静叶的空腔内设有以金刚石晶胞成键方式为模板的仿生拓扑结构，仿生拓扑结构最小结构单元由一个中心连接件与四个角连接件通过柱体连接件连接构成；每个角连接件又作为新结构单元的中心连接件与另外四个角连接件通过柱体连接件相连，重复延伸扩展，形成充满整个静叶空腔用于强化传热的骨架。
进一步地，每两支连接在相同圆球的柱体之间的夹角为109°28′16″。
进一步地，其拓扑结构的参数d、P、L变化范围在微米级到毫米级。
在上述一种仿金刚石晶胞拓扑的汽轮机除湿空心长静叶通道结构，其高温加热蒸汽来自于前级静叶出口处的抽气。
在上述一种仿金刚石晶胞拓扑的汽轮机除湿空心长静叶通道结构，静叶空腔范围可为整支，也可分布在凝结水膜分布较厚的表面附近。
因此，本发明具有如下优点：
本发明通过在已有的汽轮机空心静叶的空腔内设置拓扑结构，不仅可以获得更大的高温蒸汽湍流度和最大的传热强度，从而提高除湿性能，减少汽轮机叶片的侵蚀，还可以大大提高汽轮机空心静叶的强度，使得可以设计出更长的静叶片，从而提高汽轮机的能量转换效率。
本发明末级静叶片引用次末级静叶后的蒸汽，高温加热蒸汽通过仿生拓扑结构之后，更均匀更有效地分布在整个空腔内。增加的圆球与圆柱体在起到扰流作用的同时，也增加了静叶空腔的换热面积，湍流度与换热面积的增加将使得带仿生拓扑结构通道的空腔具备更优秀的加热除湿效果。
附图说明
图1为本发明实施例中汽轮机静叶的空腔内仿生拓扑结构示意图。
图2为带仿生拓扑结构的静叶空腔示意图。
图3为汽轮机静叶内高温加热蒸汽通道剖面图。
图4为静叶空腔内高温蒸汽流线图。
图5为有无仿生拓扑结构空心静叶压力面上水膜厚度对比示意图，其中图5(a)为无仿生拓扑结构的汽轮机静叶压力面上水膜厚度仿真图，图5(b)为有仿生拓扑结构的汽轮机静叶压力面上水膜厚度仿真图(拟抽取约5％的次末级静叶后高温蒸汽流量(Gs))。
图6具有局部仿生结构的汽轮机静叶结构示意图。
图7为局部和全部仿生拓扑结构空心静叶压力面上水膜厚度对比示意图，其中图7(a)为局部仿生拓扑结构的汽轮机静叶压力面上水膜厚度仿真图(拟抽取约4％的次末级静叶后高温蒸汽流量(Gs))，图7(b)为全部仿生拓扑结构的汽轮机静叶压力面上水膜厚度仿真图(拟抽取约5％的次末级静叶后高温蒸汽流量(Gs))。
附图标记，1-圆球，2-圆柱，3-仿生拓扑结构，4-静叶空腔，5-叶根，6-末级静叶片，7-次末级静叶片，8-控制阀门，9-蒸汽出口，10-蒸汽入口，
具体实施方式
下面通过实施实例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
一种汽轮机除湿装置，包括多级汽轮机静叶，每级汽轮机静叶内均设有用于蒸汽加热除湿的空腔，每级汽轮机静叶内空腔的蒸汽入口与前一级空心静叶的蒸汽出口相对应(一般通过管道相连，设置有控制蒸汽流量大小的阀门)，每级汽轮机静叶内空腔中均设有强化除湿结构，所述强化除湿结构为设于所述汽轮机静叶的空腔内以金刚石晶胞成键方式为模板的仿生拓扑结构，仿生拓扑结构最小结构单元由一个中心连接件与四个角连接件通过柱体连接件连接构成；每个角连接件又作为新结构单元的中心连接件与另外四个角连接件通过柱体连接件相连，重复延伸扩展，形成充满整个静叶空腔用于强化传热的骨架。
仿生拓扑结构中，所述柱体连接件为圆柱体多棱柱，所述中心连接件和角连接件结构一样，为球体或者多面体。本实施例中，所述中心连接件和角连接件均为圆球，圆球直径记为d，连接圆球的柱体截面周长为P，柱体高度为L，则满足P<2πd，L>1.5d。
下面以某火电低压末级静叶的仿生拓扑结构为例进行说明。
如图1所示，示意图给出了仿生拓扑结构的排布方式，每一个直径d为13mm的圆球1连接着四支截面周长P为10πmm、长度L为30mm的圆柱2，每两支连接在相同圆球1的圆柱2之间夹角为109°28′16″。这样的仿生拓扑结构3不断延伸以充满汽轮机静叶的空腔，成为填充在加热通道内用于强化传热的骨架，仿生拓扑结构与空腔壁面连接处可以是圆球上或圆柱上的任意截面，也就是说，首先安装仿生拓扑结构本身来设计骨架，当碰到与空腔壁面相交时，该处截断，即为与空腔壁面的连接面。
如图2所示，示意图给出了带仿生拓扑结构3的静叶空腔4，本例中静叶片的水膜沉积主要发生在叶根5至65％叶高区域内的压力侧，故将静叶空腔设置在这段区域。
如图3所示，剖面图给出了加热系统的详细结构，本例中加热末级静叶6的高温蒸汽来自前一级静叶，即次末级静叶片7的蒸汽出口9，在末级静叶6的蒸汽入口10和次末级静叶片7的蒸汽出口9之间设置连通管道，在次末级静叶片7的蒸汽出口处加装有控制阀门8，以控制抽气份额，配合不同工况下的加热强度，达到合理利用前级高温蒸汽的效果。在本例展示的设计工况下，拟抽取约5％的次末级静叶后高温蒸汽流量(Gs)来加热末级静叶。在变工况时，末级温度升高、湿度下降，可以适当减小阀门开度以保证加热系统的经济性。
如图4所示，给出了仿生拓扑结构的静叶空腔内流线图。本例中高温蒸汽以垂直于叶根截面的方向通入空腔，其通过仿生拓扑结构之后，更均匀更有效地分布在整个空腔内。增加的圆球与圆柱体在起到扰流作用的同时，也增加了静叶空腔的换热面积，湍流度与换热面积的增加将使得带仿生拓扑结构通道的空腔具备更优秀的加热除湿效果。如图5所示，给出了采用原始无通道结构空腔与仿生拓扑结构通道空腔的静叶压力面水膜厚度。图5(b)中仿生静叶内通引了5％Gs，在仿生拓扑结构的作用下，水膜在压力面的集中区域基本被消除，叶皮表面的最大水膜厚度也被减小了一个量级，从3.1×10-6降至5.7×10-7，这可极大地降低破膜后形成的水滴直径，使静叶与之后的动叶所受湿汽损失大大减少。
如图6所示，展示了一种局部仿生静叶空腔结构的叶型。根据图5(a)所示的水膜分布，在静叶上游水膜薄、分布少的区域恢复实心叶片，保留前缘附近及下游的仿生空腔结构，以加热蒸发前缘背压面和下游压力面沉积的水膜。采用此针对性的布置，可更高效率地利用前级高温蒸汽。如图7所示，针对布置的局部仿生结构空腔静叶可达到在使用4％Gs时即与前述使用5％Gs的静叶同等级的除湿效果。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (7)

1.一种仿金刚石晶胞拓扑的汽轮机空心静叶强化除湿结构，包括汽轮机静叶，所述汽轮机静叶内设有用于蒸汽加热除湿的空腔，其特征在于：所述汽轮机静叶的空腔内设有以金刚石晶胞成键方式为模板的仿生拓扑结构，仿生拓扑结构最小结构单元由一个中心连接件与四个角连接件通过柱体连接件连接构成；每个角连接件又作为新结构单元的中心连接件与另外四个角连接件通过柱体连接件相连，重复延伸扩展，形成充满整个所述空腔用于强化传热的骨架。
2.如权利要求1所述的汽轮机空心静叶强化除湿结构，其特征在于：仿生拓扑结构中，所述柱体连接件为圆柱体或者多棱柱。
3.如权利要求2所述的汽轮机空心静叶强化除湿结构，其特征在于：所述中心连接件和角连接件结构一样，为球体或者多面体。
4.如权利要求3所述的汽轮机空心静叶强化除湿结构，其特征在于：所述中心连接件和角连接件均为圆球，圆球直径记为d，连接圆球的柱体截面周长为P，柱体高度为L，则满足P<2πd，L>1.5d。
5.如权利要求1-4任意一项所述的汽轮机空心静叶强化除湿结构，其特征在于：每个最小结构单元内，四个角连接件相连构成一个正四面体。
6.如权利要求1-4任意一项所述的汽轮机空心静叶强化除湿结构，其特征在于：所述空腔分布在整个汽轮机静叶内，或者分布在凝结水膜分布较厚的汽轮机静叶表面内。
7.一种汽轮机除湿装置，包括多级汽轮机静叶，其特征在于：每级汽轮机静叶内均设有用于蒸汽加热除湿的空腔，每级汽轮机静叶内空腔的蒸汽入口与前一级空心静叶的蒸汽出口相对应，所述汽轮机静叶的空腔内设有以金刚石晶胞成键方式为模板的仿生拓扑结构，仿生拓扑结构最小结构单元由一个中心连接件与四个角连接件通过柱体连接件连接构成；每个角连接件又作为新结构单元的中心连接件与另外四个角连接件通过柱体连接件相连，重复延伸扩展，形成充满整个所述空腔用于强化传热的骨架。
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