一种静叶加热除湿静态测试系统及方法

本发明属于汽轮机叶片除湿技术领域，具体涉及一种静叶加热除湿静态测试系统及方法。

背景技术：

汽轮机湿蒸汽级中蒸汽凝结形成的一次水滴在静叶表面聚集形成水膜，水膜被高速汽流撕裂形成二次水滴连续撞击动叶，会导致叶片水蚀，缩短叶片寿命，甚至导致叶片断裂，严重威胁汽轮机的正常运行。

汽轮机静叶除湿技术采用中空静叶，通过抽吸、吹扫或者加热的方法，将附着在静叶表面的液膜或尾缘的大液滴去除，以降低叶片水蚀。抽吸和吹扫的方法均需在静叶表面开设槽缝，这两种方法一方面破坏了静叶表面结构，削弱了叶片强度；另一方面由于蒸汽的抽吸和吹扫对主流产生干扰，减小了气动效率。与之相比，采用加热方法时，加热蒸汽仅在空心静叶内部流动，通过加热静叶外表面使水滴或水膜蒸发，对叶片的强度和主流的气动性能影响较小，此外，加热蒸汽可以采用汽轮机汽封排汽或者热力系统中的一些漏汽，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。

静叶加热除湿方法是一种高效的汽轮机静叶除湿技术，具有广阔的应用前景，但是该方法涉及复杂的相变换热过程，包括加热通道设计、加热蒸汽参数选取等多个复杂问题，目前相关的研究工作较少，试验数据缺乏，尚处于研究阶段，未见到工业应用实例。因此，对汽轮机静叶加热除湿中涉及的关键问题进行研究，开展加热除湿试验获得基础研究数据，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，对于减少叶片水蚀，进而保障机组安全运行至关重要。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种静叶加热除湿静态测试系统及方法，用以研究静叶内部加热通道的饱和蒸汽压力、流速(流量)、叶片倾角以及通道结构对静叶表面水膜蒸发速度和水膜蒸发过程的影响规律，为叶片加热通道结构和运行参数优化提供基础数据。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种静叶加热除湿静态测试系统，包括加热蒸汽通路、饱和水通路以及数据采集线路；

加热蒸汽通路包括依次连接的进汽调节阀、体积流量计和水箱，试验件用于连接在体积流量计和水箱之间，并设置在坐标架上；

饱和水通路设置在试验件的上方，包括依次连接的进水调节阀和雾化喷头；

数据采集线路包括高速相机、红外热像仪以及计算机，高速相机用于连续拍摄静叶表面水膜蒸发过程图像，红外热像仪用于测量静叶表面的温度分布，计算机保存高速相机和红外热像仪的数据。

本发明进一步的改进在于，进汽调节阀用于控制加热蒸汽通断以及调节加热蒸汽流量，体积流量计用于测定加热蒸汽流量，由于蒸汽温度较高，体积流量计具有耐高温的特性。

本发明进一步的改进在于，试验件为具有内部加热通道的静叶片，在静叶片的上表面存在加热蒸汽入口和加热蒸汽出口。

本发明进一步的改进在于，加热蒸汽从试验件的蒸汽出口流出后在水箱中凝结成水，为保证试验件的旋转性，与蒸汽入口和蒸汽出口相连的管路采用金属软管。

本发明进一步的改进在于，坐标架包括底座、刻度盘以及试验件夹持臂，夹持臂分为上短臂和下长臂，下长臂一端与底座垂直固定，另一端与上短臂螺栓连接，短臂与长臂的夹角可调，连接处设置有刻度盘，测量长短臂之间的夹角，短臂的另一端与试验件垂直固定连接。

本发明进一步的改进在于，进水调节阀用于控制饱和水的通断，雾化喷头用于将饱和水喷淋在静叶表面形成水膜。

一种静叶加热除湿静态测试方法，该测试方法基于所述的一种静叶加热除湿静态测试系统，包括：

1)使用数值模拟方法对静叶片的内部加热通道进行设计选取，当叶片内部通道采用u型转弯蛇形通道，通过设计通道宽高比，增加肋柱扰流结构，调节扰流结构参数，使用数值模拟方法对不同通道性能进行初步计算比较，根据数值计算结果挑选性能最好的设计方案进行加工，得到测试所需的试验件；

2)在试验系统上对试验件进行多参数试验测试

3)分析高速相机和红外热像仪的测量结果，结合数值模拟优化叶片内部加热通道结构，重复上述试验，获得饱和蒸汽压力、流量，叶片倾角和通道结构对静叶表面水膜蒸发速度和水膜蒸发过程的影响规律。

本发明进一步的改进在于，步骤2)具体包括如下步骤：

(a)检查试验测试系统的各部件是否可以正常运行，调试试验与测量系统达到正常试验测量的条件；将试验件安装到叶片静态加热除湿试验系统的坐标架上，此时试验件水平放置，压力面向上，开启高速相机和红外热像仪并调整摆放角度和距离，保证二者能完全拍摄试验件表面；

(b)使用蒸汽锅炉产生设定压力的加热蒸汽，调整进汽调节阀的开度，待体积流量计所示的流量读数稳定在此次试验的设定参数后，开启进水调节阀，使饱和水通过雾化喷头以水雾或水滴的形式在叶片表面形成水膜，设置高速相机的拍摄帧率和分辨率；在关闭进水调节阀的同时启动高速相机和红外热像仪，连续拍摄静叶表面水膜蒸发过程图像和静叶表面温度分布图像直至静叶表面附着的水滴消失；关闭进汽调节阀，保存试验数据于计算机上；

(c)调整进汽调节阀的开度改变蒸汽流量，按照步骤(b)的方法完成不同饱和蒸汽压力、不同流量下的试验测量；

(d)调节坐标架夹持臂上短臂与下长臂的夹角以改变试验件的倾斜角，调整雾化喷头的位置，保证能在静叶表面喷淋形成水膜，调整高速相机和红外热像仪的位置，保证能完全拍摄静叶表面；按照步骤(b)、(c)的方法完成不同典型倾角下的试验测量，分析加热蒸汽压力、流量和叶片表面倾角对水膜蒸发速度的影响。

本发明至少具有如下有益的技术效果：

1.本发明的静叶加热除湿测试系统中，加热蒸汽由蒸汽锅炉产生，其压力参数可调，通过进汽调节阀控制蒸汽流量，可以设计不同内部加热通道的静叶片进行试验，静叶片安装在角度可调的坐标架上，因此本发明的测试方法可以研究加热蒸汽压力，蒸汽流速、内部加热通道以及静叶倾角对静叶表面水膜蒸发过程的影响规律。

2.使用雾化喷头将水喷淋在静叶表面形成水膜以模拟主蒸汽在静叶表面沉积形成的水膜。

3.使用高速相机观测静叶表面不同区域水膜的蒸发(去湿)过程和蒸发(去湿)速度，利用红外热像仪测量静叶表面的温度分布，为叶片内部加热通道结构优化提供数据。

综上，本发明采用数值计算的方法对静叶内部加热通道进行设计分析，筛选典型结构加工得到试验所用的试验件。将试验件放置在试验系统内开展多参数试验，记录试验数据结果。结合数值计算结果分析试验数据，优化叶片内部通道参数，重复进行试验，最终获得不同参数对静叶表面水膜蒸发速度和水膜蒸发过程的影响规律，为叶片加热通道结构和运行参数优化提供基础数据。

附图说明

图1为本发明一种静叶加热除湿静态测试方法流程框图。

图2为静态测试方法试验系统示意图。

图3为静叶加热除湿静态测试步骤流程图。

附图标记说明：

1-进汽调节阀，2-体积流量计，3-试验件，4-坐标架，5-水箱，6-进水调节阀，7-雾化喷头，8-红外热像仪，9-高速相机，10-计算机，11-蒸汽入口，12-蒸汽出口。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

本发明提供的一种静叶加热除湿静态测试系统及方法，研究静叶片内部加热蒸汽经加热通道加热静叶表面对水膜的蒸发过程，叶片表面的水膜由雾化喷头7将饱和水喷淋在叶片表面形成。本发明的方法可以研究蒸汽参数，内部加热通道结构，叶片倾角对静叶水膜蒸发速度和水膜蒸发过程的影响规律。

参照图1，本发明提供的一种静叶加热除湿静态测试方法，包括如下步骤：

1)建立本发明静叶加热除湿静态测试方法中使用的静态测试试验系统。参照图2静态测试方法试验系统示意图所示，该系统主要包括加热蒸汽通路，饱和水通路以及数据采集线路。加热蒸汽通路由进汽调节阀1，体积流量计2，试验件3，坐标架4，水箱5以及连接管路组成，进汽调节阀1起控制加热蒸汽通断以及调节加热蒸汽流量的作用，体积流量计2用以测定加热蒸汽流量，由于蒸汽温度较高，体积流量计2应具有耐高温的特性，试验件3为具有内部加热通道的静叶片，如图2灰色方框所示，在静叶片的上表面存在加热蒸汽入口11和加热蒸汽出口12，加热蒸汽在静叶内部以u型转弯蛇形方式流动，如试验件3方框中虚线所示，试验件3固定在坐标架4上，坐标架4由底座，刻度盘以及试验件夹持臂组成，夹持臂分为上短臂和下长臂，下长臂一端与底座垂直固定，另一端与上短臂螺栓连接，因此短臂与长臂的夹角可调，连接处设置有刻度盘，测量长短臂之间的夹角，短臂的另一端与试验件垂直固定连接，加热蒸汽从试验件3的蒸汽出口12流出后在水箱5中凝结成水，为保证试验件的旋转性，与蒸汽入口11和蒸汽出口12相连的管路应采用金属软管。饱和水通路设置在试验件3的上方，由进水调节阀6，雾化喷头7和连接管路组成，进水调节阀6控制饱和水的通断，雾化喷头7将饱和水喷淋在静叶表面形成水膜。数据采集线路由高速相机8，红外热像仪9以及计算机10组成，高速相机8连续拍摄静叶表面水膜蒸发过程图像，红外热像仪9测量静叶表面的温度分布，计算机10保存高速相机8和红外热像仪9的数据。

2)使用数值模拟方法对静叶片的内部加热通道进行设计选取，当叶片内部通道采用u型转弯蛇形通道，通过设计通道宽高比，增加肋柱扰流结构，调节扰流结构参数等方式设计，使用数值模拟方法对不同通道性能进行初步计算比较。根据数值计算结果挑选性能明显的设计方案进行加工，得到测试所需的试验件3。

3)在试验系统上对试验件3进行多参数试验测试。参见图3静叶加热除湿静态测试步骤流程图，该测试包括以下步骤：

(a)检查试验测试系统的各部件是否可以正常运行，调试试验与测量系统达到正常试验测量的条件。将试验件3安装到叶片静态加热除湿试验系统的坐标架4的夹持臂上短臂上，初始上短臂与下长臂平行，此时试验件3水平放置，压力面向上，图2中黑色十字星所在的面为静叶片的压力面。开启高速相机8和红外热像仪9并调整摆放角度和距离，保证二者能完全拍摄静叶表面。

(b)使用蒸汽锅炉产生设定压力的加热蒸汽，调整进汽调节阀1的开度，待体积流量计2所示的流量读数稳定在此次试验的设定参数后，开启进水调节阀6，使饱和水通过雾化喷头7以水雾或水滴的形式在叶片表面形成水膜，设置高速相机8的拍摄帧率和分辨率。在关闭进水调节阀6的同时启动高速相机8和红外热像仪9，连续拍摄静叶表面水膜蒸发过程图像和静叶表面温度分布图像直至静叶表面附着的水滴消失。关闭进汽调节阀1，保存试验数据于计算机10上。

(c)调整进汽调节阀1的开度改变蒸汽流量，按照上述(b)的方法完成不同饱和蒸汽压力、不同流量下的试验测量。

(d)调节坐标架4夹持臂上短臂与下长臂的夹角以改变试验件3的倾斜角，调整雾化喷头7的位置，保证能在静叶表面喷淋形成水膜，调整高速相机8和红外热像仪9的位置，保证能完全拍摄静叶表面。按照上述(b)，(c)的方法完成不同典型倾角下的试验测量，分析加热蒸汽压力、流量和叶片表面倾角对水膜蒸发速度的影响。

4)分析高速相机8和红外热像仪9的测量结果，结合数值模拟优化叶片内部加热通道结构，重复上述试验，获得饱和蒸汽压力、流量，叶片倾角和通道结构对静叶表面水膜蒸发速度和水膜蒸发过程的影响规律，为叶片加热通道结构和运行参数优化提供基础数据，并检验数值模拟结果的可靠性。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。