CN113153458A - 一种静叶加热除湿的动态测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种静叶加热除湿的动态测试系统及方法，该系统包括叶栅流场主系统、加热蒸汽子系统、循环冷却系统以及试验观测系；叶栅流场主系统由蒸汽发生器供汽，用于模拟实际汽轮机静叶的流场情况；加热蒸汽系统由蒸汽发生器供汽，用于试验段静叶的加热除湿测试；循环冷却系统用于将蒸汽凝结成水并在叶栅流场主系统继续循环；试验观测系统用于对试验运行参数的调控，对静叶表面水膜状态以及静叶出口二次水滴的大小和数量进行观测和记录。该方法通过对汽轮机湿蒸汽级压力、湿度以及叶栅的各项流动参数进行模化，测量静叶出口表面水膜状态以及静叶出口二次水滴状态，对汽轮机静叶加热除湿效果进行验证，为除湿研究提供可靠的动态测试数据。

Description

一种静叶加热除湿的动态测试系统及方法

技术领域

本发明属于工业设备技术领域以及汽轮机静叶除湿等技术领域，具体涉及一种静叶加热除湿的动态测试系统及方法，应用在汽轮机湿蒸汽级静叶加热除湿数据测试及验证。

背景技术

汽轮机是一种典型的叶轮机械，高温高压蒸汽带动叶片旋转对外输出轴功，是火力发电厂和核电厂的主要设备之一。在汽轮机的湿蒸汽级中，尤其是低压末几级，蒸汽会逐渐凝结产生水滴微粒群，附着在静叶表面形成水膜。在高速气流的带动下，液膜会撕裂，生成直径更大的二次水滴，这些水滴撞击动叶表面，产生水蚀，不仅影响通流气动效率，还可能导致叶片断裂，严重威胁汽轮机的正常运行。

目前对汽轮机叶片防水蚀的研究主要有被动和主动两种方法。其中，动叶防水蚀是一种被动的处理方式，主要包括在进汽测背部易发生水蚀的区域进行局部的激光淬火、喷涂等特殊处理，以及使用司太力合金等方式，目的是减轻水滴对动叶的损伤，增加叶片的寿命；静叶除湿则是一种主动除湿的方式，主要是通过将静叶制成空腔，通过吹扫、抽吸、加热等方式减少或者消除二次水滴的生成，从而减少液滴对动叶的冲蚀。采用加热方法时，加热蒸汽仅在空心静叶内部流动，通过对静叶外表面进行加热使水滴或水膜蒸发，抑制表面附近的蒸汽凝结，且静叶外表面的水膜蒸发后不会再次形成水膜和水滴。同时，加热蒸汽可以采用汽轮机汽封排气或者热力系统中的一些漏气，而不引入外部能量，可提高汽轮机整体的能量利用率，具有较好的节能效果。加热蒸汽的供应和回收采用独立的二次通路，并不汇入主流，因此不会影响主流的气动性能，且加热蒸汽的流动通道仅设置在静叶空腔内，无需在叶片表面开设槽缝，对静叶结构强度的影响较小。综上所述，加热除湿方法相比于抽吸和吹扫方法具有更为显著的优势，是一种高效的汽轮机静叶除湿技术，具有广阔的应用前景。

根据现有的公开资料显示，目前对加热除湿的研究方法大多停留在理论研究阶段，缺乏工程应用的实例。且蒸汽加热除湿涉及复杂的相变换热过程，受加热通道设计、加热蒸汽参数选取等多方面影响，因此现阶段工程试验方面的研究较少，缺乏可靠的动态试验数据，亟需发展一种能够很好的模拟实际运行状况的精确、可信的动态测试方法。

发明内容

本发明的目的是提供了一种静叶加热除湿的动态测试系统及方法，用于对汽轮机湿蒸汽级静叶加热除湿效果进行数据测试及验证，通过对汽轮机湿蒸汽级压力、湿度以及叶栅的各项流动参数进行模化，检验加热静叶的除湿效果，进一步改进静叶除湿结构，并利用模化试验方法转换为实际工作状态下的高效除湿参数范围。

为了达到目的，本发明采用如下技术方案来实现的：

一种静叶加热除湿的动态测试系统，包括叶栅流场主系统、加热蒸汽子系统、循环冷却系统以及试验观测系；

叶栅流场主系统由蒸汽发生器供汽，用于模拟实际汽轮机静叶的流场情况；

加热蒸汽系统由蒸汽发生器供汽，用于试验段静叶的加热除湿测试；

循环冷却系统用于将蒸汽凝结成水并在叶栅流场主系统继续循环；

试验观测系统用于对试验运行参数的调控，对静叶表面水膜状态以及静叶出口二次水滴的大小和数量进行观测和记录。

本发明进一步的改进在于，叶栅流场主系统，用于模拟实际汽轮机静叶流场情况，蒸汽发生器作为稳定汽源为系统供汽，试验段入口与蒸汽发生器出口相连，出口与凝汽器、凝结水泵相连；叶栅流场蒸汽开度由阀门Ⅰ控制。

本发明进一步的改进在于，加热蒸汽子系统，用于试验段静叶的加热除湿测试，系统同样由蒸汽发生器供汽、蒸汽发生器出口与流量计相连，用于监测加热蒸汽流量、试验段入口与流量计相连、出口与凝汽器、凝结水泵相连；加热蒸汽管路由阀门Ⅱ和阀门Ⅲ控制。

本发明进一步的改进在于，蒸汽发生器包括依次连接的蒸汽锅炉、减温减压器和整流段，产生的高压饱和蒸汽分为两路，一路为模拟静叶叶栅流场蒸汽，另一路为静叶除湿加热蒸汽。

本发明进一步的改进在于，循环冷却系统通过冷却回路将流场主蒸汽以及加热蒸汽凝结成水，并进行循环，冷却回路中凝汽器与干冷器相连，冷却工质由循环水泵提供动力，在凝汽器中进行热量交换。

本发明进一步的改进在于，试验观测系统用于对静叶表面水膜状态以及静叶出口二次水滴的大小和数量进行观测和记录，高速相机对应试验段静叶出口的光学窗口，脉冲激光器、针孔、扩束器依次摆放，将发射出的激光调整至等直径的平行光；激光束经液滴颗粒散射后由傅里叶透镜聚集至光电转换装置，数据处理系统与光电转换装置相连对信号进行量化分析。

一种静叶加热除湿的动态测试方法，该方法基于所述的一种静叶加热除湿的动态测试系统，包括以下步骤：

步骤一：建立运行工况

(1-1)根据数值模拟结果以及前期的预试验结果，选取2-3种具有高效除湿效果的静叶进行动态加热除湿试验，设计、加工试验静叶和内部加热通道，安装到动态加热除湿试验台上，调试试验与测量系统达到正常试验测量的条件；

(1-2)关闭阀门Ⅱ和阀门Ⅲ，调节阀门Ⅰ的开度和减温减压器的参数，调节叶栅进口蒸汽压力和湿度达到汽轮机除湿静叶的实际工作参数；

步骤二：静叶除湿测试

(2-1)利用2台高速相机测量和记录静叶出口段表面水膜状态和静叶出口的二次水滴状态，完成无加热除湿时叶栅工作状态测量；

(2-2)调节阀门Ⅱ和阀门Ⅲ的开度，待加热蒸汽的压力和流量稳定后，利用2台高速相机测量和记录静叶出口段表面水膜状态和静叶出口的二次水滴状态，完成加热除湿工况的叶栅工作状态测量，检验加热静叶的除湿效果；

(2-3)调节阀门Ⅱ和阀门Ⅲ的开度，按照步骤二的方法完成不同饱和蒸汽压力、流速下的试验测量；

步骤三：模化试验验证

重复前两步试验，完成不同加热除湿通道结构的验证试验，获得静叶内部加热通道的饱和蒸汽压力、流速和通道结构对静叶除湿效果的影响。

本发明进一步的改进在于，该测试方法得到的数据测试结果用于进一步改进静叶除湿结构，并利用模化试验方法转换为实际工作状态下的高效除湿参数范围。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.目前对加热除湿的研究方法大多停留在理论研究阶段，缺乏工程应用实例。且蒸汽加热除湿涉及复杂的相变换热过程，受加热通道设计、加热蒸汽参数选取等多个参数影响，现阶段工程试验方面的研究较少，缺乏可靠的动态试验数据，本发明公开的一种静叶加热除湿的动态测试方法可以充分应用于实际测量，为研究汽轮机静叶除湿提供关键参数及验证；

2.数据测试及验证所需的两路系统均由同一蒸汽发生器供汽，汽源稳定，能够保证试验的安全有效进行；

3.试验段4设置了n个叶栅通道(n+1个静叶,n≥2)，可以充分保证实验模化的可信度；

4.通过阴影法对静叶出口二次水滴进行测量，信息量大，分辨率高，不干扰流场，使用方法简洁。

综上，本发明提供的静叶加热除湿的动态测试系统及方法，通过对汽轮机湿蒸汽级压力、湿度以及叶栅的各项流动参数进行模化，测量静叶出口表面水膜状态以及静叶出口二次水滴状态，对汽轮机静叶加热除湿效果进行验证，为除湿研究提供可靠的动态测试数据，并发展基于汽轮机静叶真实应用环境的高效加热除湿技术，同时对于减少湿蒸汽级静叶水蚀，保障机组安全运行起到至关重要的作用。

附图说明

图1为本发明实施例的一种静叶加热除湿的动态测试方法的流程图；

图2为本发明实施例的一种静叶动态加热除湿测试系统示意图；

其中1为阀门Ⅰ，2为减温减压器，3为整流段，4为试验段，5为阀门Ⅱ，6为流量计，7为阀门Ⅲ。

图3为本发明实施例的试验段三维结构示意图及空心静叶局部放大示意图；

其中1为加热除湿蒸汽管道，2为光学窗口，3为试验件，4为试验段管道。

图4为本发明实施例的试验段加热除湿流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做出进一步的说明。

本发明提供的一种静叶加热除湿的动态测试系统，包括叶栅流场主系统、加热蒸汽子系统、循环冷却系统以及试验观测系统。

其中，叶栅流场主系统包括蒸汽发生器、试验段4、凝汽器、凝结水泵以及阀门组。叶栅流场主系统由蒸汽发生器供汽，用于模拟实际汽轮机静叶的流场情况；

加热蒸汽子系统为旁路系统，包括蒸汽发生器、流量计6、试验段4、凝汽器以及阀门组。加热蒸汽系统同样由蒸汽发生器供汽，用于试验段4静叶的加热除湿测试；

循环冷却系统包括干冷器、循环水泵、凝汽器以及真空泵，冷却工质在凝汽器与蒸汽进行热量交换，将蒸汽凝结成水并在叶栅流场主系统继续循环。

试验观测系统包括高速相机、红外热像仪、流量计6、压力变送器、温度传感器、数据采集系统、激光阴影拍摄系统等，主要用于对试验运行参数的调控，对静叶表面水膜状态以及静叶出口二次水滴的大小和数量进行观测和记录。

蒸汽发生器包括蒸汽锅炉、减温减压器2、整流段3，产生的高压饱和蒸汽分为两路，一路为模拟静叶叶栅流场蒸汽，另一路为静叶除湿加热蒸汽。

静叶叶栅流场蒸汽的流量由阀门Ⅰ1调节，高压饱和蒸汽首先进入减温减压器2，将压力和湿度调整到汽轮机除湿静叶的工作参数，然后通过整流段3整流后进入试验段4的叶栅通道，在静叶表面自然形成水膜。为了保证试验测量的精度与可靠性，按照环形叶栅试验的要求，设置了n个叶栅通道(n+1个静叶,n≥2)，叶栅流动参数完全模拟实际汽轮机末级叶片参数。

静叶除湿加热蒸汽在加热通道的流量压力和流速可以通过阀门Ⅰ1和阀门Ⅲ7进行组合调节，利用安装在试验件前的流量计6进行测量和流速计算，试验过程产生的凝结水或残余蒸汽进入凝汽器中。

试验段4安装的静叶出口开设光学窗口，可以利用高速相机测量和记录静叶出口段静叶表面的水膜状态，同时还可以采用阴影法测量静叶出口的二次水滴大小和数量，用于研究静叶内部加热蒸汽的流速、压力(饱和蒸汽)以及叶栅通道内蒸汽压力和湿度，检验加热静叶的除湿效果。

叶栅出口的蒸汽与加热蒸汽均排入专用凝汽器中，与冷却系统发生热量交换，凝结水经凝结水泵增压后进入蒸汽发生器，而热量经循环冷却系统排到室外大气中。

采用阴影法测量时，利用的是激光阴影拍摄系统，主要由脉冲激光器、扩束镜、傅里叶透镜、光电转换以及数据处理等系统组成。激光器发出脉冲光束，经针孔滤波以及扩束镜调整后形成平行光，静叶出口液滴垂直通过平行光并将部分光散射，散射后的光线通过傅里叶透镜，最后由光电转换装置进行信号转换，输出至数据处理系统，对数据进行量化分析可得到静叶出口二次水滴的直径大小、数量分布。

参阅附图1和附图2，本发明提供的一种静叶加热除湿的动态测试方法，包括以下步骤：

步骤一：建立运行工况

(1-1)根据数值模拟结果以及前期的预试验结果，选取2-3种具有高效除湿效果的静叶进行动态加热除湿试验，设计、加工试验静叶和内部加热通道，安装到动态加热除湿试验台上，调试试验与测量系统达到正常试验测量的条件；

(1-2)关闭阀门Ⅱ5和阀门Ⅲ7，调节阀门Ⅰ1的开度和减温减压器2的参数，调节叶栅进口蒸汽压力和湿度达到汽轮机除湿静叶的实际工作参数；

步骤二：静叶除湿测试

(2-1)利用2台高速相机测量和记录静叶出口段表面水膜状态和静叶出口的二次水滴状态，完成无加热除湿时叶栅工作状态测量；

(2-2)调节阀门Ⅱ5和阀门Ⅲ7的开度，待加热蒸汽的压力和流量稳定后，利用2台高速相机测量和记录静叶出口段表面水膜状态和静叶出口的二次水滴状态，完成加热除湿工况的叶栅工作状态测量，检验加热静叶的除湿效果；

(2-3)调节阀门Ⅱ5和阀门Ⅲ7的开度，按照步骤二的方法完成不同饱和蒸汽压力、流速下的试验测量；

步骤三：模化试验验证

重复前两步试验，完成不同加热除湿通道结构的验证试验，获得静叶内部加热通道的饱和蒸汽压力、流速和通道结构对静叶除湿效果的影响；

最后根据上述数据测试结果进一步改进静叶除湿结构，并利用模化试验方法转换为实际工作状态下的高效除湿参数范围。

参阅附图3和附图4，本发明实施例的一种静叶加热除湿的动态测试系统试验段4主要包括：试验段管道，加热除湿蒸汽管道，试验件。流场主蒸汽参数经减温减压器2调整至汽轮机除湿静叶的实际工作参数，整流后通过试验件静叶通道，在静叶表面自然形成水膜；

加热除湿蒸汽通过加热除湿蒸汽管道进入试验件，且加热蒸汽仅在空心静叶内部流动，通过对静叶外表面进行加热使水滴或水膜蒸发，抑制表面附近的蒸汽凝结；

试验段管道设有光学窗口，可以利用高速相机测量和记录静叶出口段静叶表面的水膜状态，同时还可以采用阴影法测量静叶出口的二次水滴大小和数量，用于研究静叶内部加热蒸汽的流速、压力(饱和蒸汽)以及叶栅通道内蒸汽压力和湿度，检验加热静叶的除湿效果。

本发明提供的一种静叶加热除湿的动态测试方法，系统简洁，结构紧凑，安装方便，能够对汽轮机末级压力、湿度以及叶栅的各项流动参数进行模化，并测量静叶出口表面水膜状态以及静叶出口二次水滴状态，检验加热静叶的除湿效果，为除湿研究提供可靠的动态测试数据，并发展基于汽轮机静叶真实应用环境的高效加热除湿技术，同时对于减少湿蒸汽级静叶水蚀，保障机组安全运行起到至关重要的作用。

Claims (8)

1.一种静叶加热除湿的动态测试系统，其特征在于，包括叶栅流场主系统、加热蒸汽子系统、循环冷却系统以及试验观测系；

叶栅流场主系统由蒸汽发生器供汽，用于模拟实际汽轮机静叶的流场情况；

加热蒸汽系统由蒸汽发生器供汽，用于试验段(4)静叶的加热除湿测试；

循环冷却系统用于将蒸汽凝结成水并在叶栅流场主系统继续循环；

试验观测系统用于对试验运行参数的调控，对静叶表面水膜状态以及静叶出口二次水滴的大小和数量进行观测和记录。

2.根据权利要求1所述的一种静叶加热除湿的动态测试系统，其特征在于，叶栅流场主系统，用于模拟实际汽轮机静叶流场情况，蒸汽发生器作为稳定汽源为系统供汽，试验段(4)入口与蒸汽发生器出口相连，出口与凝汽器、凝结水泵相连；叶栅流场蒸汽开度由阀门Ⅰ(1)控制。

3.根据权利要求2所述的一种静叶加热除湿的动态测试系统，其特征在于，加热蒸汽子系统，用于试验段(4)静叶的加热除湿测试，系统同样由蒸汽发生器供汽、蒸汽发生器出口与流量计(6)相连，用于监测加热蒸汽流量、试验段(4)入口与流量计(6)相连、出口与凝汽器、凝结水泵相连；加热蒸汽管路由阀门Ⅱ(5)和阀门Ⅲ(7)控制。

4.根据权利要求3所述的一种静叶加热除湿的动态测试系统，其特征在于，蒸汽发生器包括依次连接的蒸汽锅炉、减温减压器(2)和整流段(3)，产生的高压饱和蒸汽分为两路，一路为模拟静叶叶栅流场蒸汽，另一路为静叶除湿加热蒸汽。

5.根据权利要求4所述的一种静叶加热除湿的动态测试系统，其特征在于，循环冷却系统通过冷却回路将流场主蒸汽以及加热蒸汽凝结成水，并进行循环，冷却回路中凝汽器与干冷器相连，冷却工质由循环水泵提供动力，在凝汽器中进行热量交换。

6.根据权利要求4所述的一种静叶加热除湿的动态测试系统，其特征在于，试验观测系统用于对静叶表面水膜状态以及静叶出口二次水滴的大小和数量进行观测和记录，高速相机对应试验段静叶出口的光学窗口，脉冲激光器、针孔、扩束器依次摆放，将发射出的激光调整至等直径的平行光；激光束经液滴颗粒散射后由傅里叶透镜聚集至光电转换装置，数据处理系统与光电转换装置相连对信号进行量化分析。

7.一种静叶加热除湿的动态测试方法，其特征在于，该方法基于权利要求4-6中任一项所述的一种静叶加热除湿的动态测试系统，包括以下步骤：

步骤一：建立运行工况

(1-1)根据数值模拟结果以及前期的预试验结果，选取2-3种具有高效除湿效果的静叶进行动态加热除湿试验，设计、加工试验静叶和内部加热通道，安装到动态加热除湿试验台上，调试试验与测量系统达到正常试验测量的条件；

(1-2)关闭阀门Ⅱ(5)和阀门Ⅲ(7)，调节阀门Ⅰ(1)的开度和减温减压器(2)的参数，调节叶栅进口蒸汽压力和湿度达到汽轮机除湿静叶的实际工作参数；

步骤二：静叶除湿测试

(2-1)利用2台高速相机测量和记录静叶出口段表面水膜状态和静叶出口的二次水滴状态，完成无加热除湿时叶栅工作状态测量；

(2-2)调节阀门Ⅱ(5)和阀门Ⅲ(7)的开度，待加热蒸汽的压力和流量稳定后，利用2台高速相机测量和记录静叶出口段表面水膜状态和静叶出口的二次水滴状态，完成加热除湿工况的叶栅工作状态测量，检验加热静叶的除湿效果；

(2-3)调节阀门Ⅱ(5)和阀门Ⅲ(7)的开度，按照步骤二的方法完成不同饱和蒸汽压力、流速下的试验测量；

步骤三：模化试验验证

重复前两步试验，完成不同加热除湿通道结构的验证试验，获得静叶内部加热通道的饱和蒸汽压力、流速和通道结构对静叶除湿效果的影响。

8.根据权利要求7所述的一种静叶加热除湿的动态测试方法，其特征在于，该测试方法得到的数据测试结果用于进一步改进静叶除湿结构，并利用模化试验方法转换为实际工作状态下的高效除湿参数范围。

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