CN210977610U - 一种锯齿式动叶前缘防水蚀沟槽结构 - Google Patents
一种锯齿式动叶前缘防水蚀沟槽结构 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型公开了一种锯齿式动叶前缘防水蚀沟槽结构，包括沿动叶片的前缘自叶顶向叶根开设的锯齿型沟槽，该锯齿型沟槽与动叶片内部的动叶中空槽道连通，动叶中空槽道位于沿主流方向的锯齿型沟槽的后侧，且两者长度一样。本实用新型能够在不显著影响动叶片气动外形、结构强度、振动特性的条件下降低二次水滴对动叶片的冲击及剪切应力，排出流道中的液滴，实现汽轮机动叶片前缘防水蚀的目的。
Description
技术领域
本实用新型属于工业设备技术领域，具体涉及一种应用于汽轮机的锯齿式动叶前缘防水蚀沟槽结构。
背景技术
近年来随着核电大功率汽轮机的发展，水蚀问题越来越得到重视，该现象普遍存在于汽轮机组尤其是低压缸末级叶片处。当蒸汽在叶栅中膨胀越过饱和线至Wilson线时，将产生0.01μm～1μm直径的微小水滴并逐渐聚集。其大部分随蒸汽通过叶栅，小部分将附着在静叶内弧凹面形成水膜。水膜厚度会逐渐增加并被汽流推向静叶出气边，最后在出气边被撕裂为尺寸较大的水滴并脱离静叶，后被流道内高速汽流碎裂为二次水滴(半径范围20～200μm)，以很大的相对速度撞击动叶进气边背弧侧，并向四方散流。在冲击和散流的垂直与剪切应力联合作用下，动叶表面材料快速脱落，形成凹坑，最后由于凹坑内存集的水分减缓了水滴冲击力，材料的水蚀速度又有所减慢。
动叶片进气边会因水蚀形成锯齿状毛刺，不仅恶化了叶片表面流动，使汽轮机级效率下降，也会造成毛刺底部应力集中，削弱动叶片强度，改变动叶片振动特性。若不及时采取措施进行处理，最终会造成动叶片断裂，威胁机组安全运行。
汽轮机作为电力生产设备，要求具有较高的能量效率，这需要动叶片良好的气动外形来保证，同时机内高温高压，承受离心力、气流冲击力的恶劣工作环境也需要动叶片具有足够的结构强度以保证安全可靠运行。事实上，设计并采用级效率高，结构强度好的动叶片是汽轮机系统的核心关切，实现动叶片防水蚀更是提高机组运行安全可靠性的关键一环。
为防止动叶片水蚀的发生或减缓水蚀发展速度，国内外发展出一系列水蚀防护技术。由于产生水蚀的直接原因在于二次水滴的撞击，直接减少叶栅中液滴的数量对动叶片防水蚀有立竿见影的效果，但汽轮机末级的工作环境多为9％-14％的湿蒸汽，在难以彻底消灭液滴的产生和存在的情况下，减缓液滴撞击动叶片时水蚀的发展速度，也是增强动叶片抗水蚀能力，提高汽轮机组运行安全性的有效手段。以往的除湿结构对动叶片气动外形改变较大，影响机组运行的经济性；防护方法普遍采用侧重在局部易水蚀部位进行材料强化的被动措施，未从水蚀机理角度考虑减小二次水滴冲击及剪切应力的可能性。因此有必要提出一种新的动叶片防水蚀结构，在保证叶片良好气动外形、结构强度及振动特性的同时提高动叶片抗水蚀能力。
实用新型内容
本实用新型的目的是在保证汽轮机动叶片良好气动外形、结构强度及振动特性的基础上，提出一种应用于汽轮机的锯齿式动叶前缘防水蚀沟槽结构。该结构能够减小静叶二次水滴对动叶片的冲击及剪切应力，减少流道中的液滴数量，在不显著影响动叶片气动性能、结构强度及振动特性的基础上减缓动叶片水蚀的发生发展速度，提高动叶片防水蚀性能及机组运行安全性。
为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是：
一种锯齿式动叶前缘防水蚀沟槽结构，包括沿动叶片的前缘自叶顶向叶根开设的锯齿型沟槽，该锯齿型沟槽与动叶片内部的动叶中空槽道连通，动叶中空槽道位于沿主流方向的锯齿型沟槽的后侧，且两者长度一样。
本实用新型进一步的改进在于，锯齿型沟槽为沿动叶片叶高的一半。
本实用新型进一步的改进在于，锯齿型沟槽的形式除锯齿外，还选用矩形或波浪形沟槽。
本实用新型进一步的改进在于，锯齿型沟槽在动叶片上的跨度为动叶片最大厚度的三分之一。
本实用新型进一步的改进在于，锯齿型沟槽的厚度为其在动叶片上跨度的五分之一。
本实用新型进一步的改进在于，动叶中空槽道距前缘的深度为动叶中空槽道直径的两倍。
本实用新型进一步的改进在于，动叶中空槽道的截面形状为圆形。
本实用新型进一步的改进在于，动叶中空槽道直径大于或等于锯齿型沟槽在叶片上的跨度。
与现有技术相比，本实用新型具有如下有益的技术效果：
本实用新型提出的锯齿式动叶前缘防水蚀沟槽结构，能够显著增大局部表面粗糙度，利于动叶片前缘处保护水膜的形成，减小液滴冲击及散流时的垂直及剪切应力，减缓水蚀发生发展速度，减少应力集中，延长动叶片使用寿命，有利于汽轮机的安全稳定运行。
本实用新型提出的动叶中空槽道位于动叶片内部，锯齿型沟槽捕集的液滴进入动叶中空槽道后，在叶轮旋转离心力作用下通过动叶中空槽道流入捕水器。减少流道中的液滴数量，缓解后级叶轮的冲蚀损伤，同时相比较传统的排水沟槽结构，动叶中空槽道开在动叶片内部不会过多影响动叶片气动外形、改变主流结构，有利于保持较高的级效率。
综上，本实用新型提出的锯齿式动叶前缘防水蚀沟槽结构保留了更多的叶片材料，不会过多影响叶片的强度及振动特性。
附图说明
图1是本实用新型一种锯齿式动叶前缘防水蚀沟槽结构的整体结构示意图；其中，图1(b)为图1(a)I处的放大图；
图2是本实用新型锯齿型沟槽结构局部剖面图，视图方向垂直于沟槽纵深方向；
图3是本实用新型锯齿型沟槽示意图，视图方向沿沟槽纵深方向；其中，图3(b)为图3(a)II处的放大图；
图4是本实用新型动叶中空槽道示意图，视图方向为顶视；其中，图4(b)为图4(a)III处的放大图；
图5是本实用新型锯齿式动叶前缘防水蚀沟槽结构的中空结构示意图；其中，图5(a)为锯齿式沟槽，图5(b)中的沟槽形式采用了矩形；
图6是本实用新型锯齿式动叶前缘防水蚀沟槽结构的中空结构剖视图；其中，图6(b)为图6(a)A-A处截面视图，图6(c)为图6(b)Ⅳ处的放大图；
图7是汽轮机动叶片水蚀过程示意图；
图8是本实用新型结构的工作状态示意图。
附图标记说明：
1-动叶片；2-动叶叶根；3-动叶中空槽道；4-锯齿型沟槽；5-捕水器。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型作进一步的说明
参见图1-图6为本实用新型提供的锯齿式动叶前缘防水蚀沟槽结构。具体包括动叶片1，长度为LB，最大厚度为L。前缘处的锯齿型沟槽4，长度为LG，槽宽度为LT，弯折角为θ，在动叶片1上的跨度为LK，其中锯齿型沟槽4的长度LG约为动叶片1长度LB的一半，锯齿型沟槽4的跨度LK约为动叶片1最大厚度L的三分之一，槽宽度LT约为跨度LK的五分之一。锯齿型沟槽4下方通向圆形的动叶中空槽道3，其长度与锯齿型沟槽相同，为LG，距动叶前缘的深度为LC，半径为R，其中深度LC约为动叶中空槽道3直径2R的两倍，动叶中空槽道3的直径2R大于或等于锯齿型沟槽4在动叶片上1的跨度LK。
为了对本实用新型进一步了解，现对其工作过程做进一步说明。
水蚀现象的发生过程可参见图7。汽机运行过程中，微液滴首先在静叶内弧凹面聚集形成水膜，后被汽流吹向出气边，在液膜被撕裂为尺寸较大的水滴后被高速气流碎裂为二次水滴。二次水滴流速相对主流流速C明显偏小Cw，会以较大的相对速度Ww冲击动叶片背弧面，撞击的同时向四周散流，散流速度可达撞击速度数倍，产生较大的剪切应力，使叶片表面迅速产生裂纹并扩展。部分散流液滴溅起并进入主流，继续对后续叶片产生冲蚀，部分散流液滴附着于动叶片表面并在汽流作用下向下游发展，最终同样会对后续叶片产生危害。
锯齿式动叶前缘防水蚀沟槽结构的工作原理可参见图8。在低压缸采用锯齿式动叶前缘防水蚀沟槽结构后，前缘处的锯齿型沟槽4增大了局部表面粗糙度，有利于动叶片1表面保护水膜的生成，保护水膜的存在起到缓冲作用，减小了二次水滴对动叶片1的垂直冲击应力，抑制了水滴的散流过程，减小了散流的剪切应力，从而起到动叶片1前缘防水蚀的作用。同时，部分二次水滴及汽流中的微液滴在叶道或叶片表面运动过程中会被锯齿型沟槽4捕集，沿沟槽进入动叶中空槽道3，随后在动叶片1高速旋转的离心力作用下沿动叶中空槽道3径向流动，于叶顶被甩出动叶片1，最终进入捕水器5，由于捕水器5与凝汽器低压相通，在压差作用下液滴最终会离开流道。该过程减少了流道中的液滴总量，会减小后级叶片所受冲蚀损伤。同时，动叶中空槽道3及锯齿形沟槽4对动叶片1的气动外形影响小，主流所受影响较小，透平级仍可保持较高的级效率，相比于现有技术，该动叶中空槽道3可保留较多的叶片材料，对动叶片1的振动特性和结构强度影响也较小。
总体而言，锯齿式动叶前缘防水蚀沟槽结构在不严重影响动叶片1气动性能、振动特性、结构强度的条件下起到了减小二次水滴冲击叶片的垂直与剪切应力、排出流道内液滴，即动叶片1前缘防水蚀的效果。
Claims (8)
1.一种锯齿式动叶前缘防水蚀沟槽结构，其特征在于，包括沿动叶片(1)的前缘自叶顶向叶根开设的锯齿型沟槽(4)，该锯齿型沟槽(4)与动叶片(1)内部的动叶中空槽道(3)连通，动叶中空槽道(3)位于沿主流方向的锯齿型沟槽(4)的后侧，且两者长度一样。
2.根据权利要求1所述的一种锯齿式动叶前缘防水蚀沟槽结构，其特征在于，锯齿型沟槽(4)为沿动叶片(1)叶高的一半。
3.根据权利要求1所述的一种锯齿式动叶前缘防水蚀沟槽结构，其特征在于，锯齿型沟槽(4)的形式除锯齿外，还选用矩形或波浪形沟槽。
4.根据权利要求1所述的一种锯齿式动叶前缘防水蚀沟槽结构，其特征在于，锯齿型沟槽(4)在动叶片(1)上的跨度为动叶片(1)最大厚度的三分之一。
5.根据权利要求1所述的一种锯齿式动叶前缘防水蚀沟槽结构，其特征在于，锯齿型沟槽(4)的厚度为其在动叶片(1)上跨度的五分之一。
6.根据权利要求1所述的一种锯齿式动叶前缘防水蚀沟槽结构，其特征在于，动叶中空槽道(3)距前缘的深度为动叶中空槽道(3)直径的两倍。
7.根据权利要求1所述的一种锯齿式动叶前缘防水蚀沟槽结构，其特征在于，动叶中空槽道(3)的截面形状为圆形。
8.根据权利要求1所述的一种锯齿式动叶前缘防水蚀沟槽结构，其特征在于，动叶中空槽道(3)直径大于或等于锯齿型沟槽(4)在叶片上的跨度。
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| CN201922054731.5U CN210977610U (zh) | 2019-11-25 | 2019-11-25 | 一种锯齿式动叶前缘防水蚀沟槽结构 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2024016585A1 (zh) * | 2022-07-18 | 2024-01-25 | 西安交通大学 | 一种定制化的汽轮机叶片表面抗水蚀性能强化方法 |
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2019
- 2019-11-25 CN CN201922054731.5U patent/CN210977610U/zh active Active
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| WO2024016585A1 (zh) * | 2022-07-18 | 2024-01-25 | 西安交通大学 | 一种定制化的汽轮机叶片表面抗水蚀性能强化方法 |
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