一种汽轮机整圈叶栅加热吹扫除湿实验系统及测试方法与流程

本发明属于汽轮机除湿领域，特别涉及一种汽轮机整圈叶栅加热吹扫除湿实验系统及测试方法。

背景技术：

汽轮机的运行主要依靠蒸汽的热能转换为机械能不断做功，而蒸汽在流动过程中由于参数的降低会发生凝结现象，形成水滴。特别是在末几级叶片通道中，液滴含量较高，小液滴沉积在静叶表面形成水膜，并被高速气流撕裂成大的液滴撞击动叶表面，从而产生水蚀作用，轻则破坏叶片表面形状，增加流动损失，影响汽轮机效率和输出功率，重则导致叶片大面积损伤，进而发生断裂事故与停机故障，造成大量经济损失，因此开发高效的汽轮机除湿技术对于其安全可靠运行是极为重要且紧迫的。

目前汽轮机叶片的除湿主要采用抽吸和加热吹扫两种方法，抽吸方法即是在叶片表面开设抽吸孔并在叶片空腔中设置真空压力，将叶片表面的液滴和液膜吸入空腔并排出；加热吹扫方法则是将加热后的空气输送至叶片空腔，然后通过叶片表面的吹扫孔进入主流通道，一方面破坏液膜并将其吹离叶片表面，另一方面加热液滴使其再次蒸发，从而减小液滴的破坏作用。

在进行叶片除湿结构设计时，需要开展实验研究，以验证设计方案的可行性并指导进一步的改进工作，因此建立一套高精度的汽轮机整圈叶栅除湿实验系统对于叶片的设计来说是非常关键的。然而，目前公开资料中仅有常规的叶片抽吸除湿实验台，而在加热吹扫除湿方面未出现相关实验系统和测试方法，因此迫切需要一套模块完备、运行高效、测试准确的汽轮机整圈叶栅加热吹扫除湿实验系统，以供相关研究和设计人员参考。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提供了一种汽轮机整圈叶栅加热吹扫除湿实验系统及测试方法，可以模拟汽轮机叶片的实际运行情况，测试得到不同类型吹扫孔的除湿性能参数，为汽轮机叶片的除湿结构设计提供关键的实验数据参考。

本发明采用如下技术方案来实现：

一种汽轮机整圈叶栅加热吹扫除湿实验系统，包括主流湿空气供应管路、吹扫气体供应管路、实验测试段和除湿测试系统；主流湿空气供应管路包括气泵、储液箱、水泵、雾化装置和主流气体稳流室；吹扫气体供应管路包括压气机和吹扫气体稳流室；实验测试段包括主流通道、吹扫气体主管道、吹扫气体分配腔、吹扫气体支管道和整圈叶栅；除湿测试系统包括粒度分析仪和液膜高速拍摄系统；其中，

气泵经过一个调节阀与主流气体稳流室进口连接，储液箱通过水泵连接至雾化装置，雾化装置出口连接至该调节阀与主流气体稳流室之间的供应管道，主流气体稳流室出口与实验测试段的主流通道连接；压气机出口通过供应管道与吹扫气体稳流室进口连接，吹扫气体稳流室出口经过另一个调节阀连接至实验测试段的吹扫气体主管道；吹扫气体主管道连接至吹扫气体分配腔，吹扫气体分配腔通过若干吹扫气体支管道与整圈叶栅底部连接，整圈叶栅包含若干空心叶片，其内部设有叶片空腔，表面布置有若干吹扫孔；实验测试段进口和出口均设有粒度分析仪，液膜高速拍摄系统用于采集流动结构的图像数据并储存在系统中。

本发明进一步的改进在于，实验系统中还设有温控装置，其分别与主流气体稳流室和吹扫气体稳流室连接，以调节主流湿空气和吹扫气体温度。

本发明进一步的改进在于，主流气体稳流室与实验测试段之间、吹扫气体稳流室与吹扫气体主管道之间均安装有流量计和压力表。

本发明进一步的改进在于，叶片空腔开设在空心叶片的中后部区域，其两个侧面分别与空心叶片的压力面和吸力面平行。

本发明进一步的改进在于，空心叶片的压力面和吸力面均开设有吹扫孔，将叶片空腔和主流通道连通。

本发明进一步的改进在于，空心叶片表面的吹扫孔为方形吹扫孔、椭圆形吹扫孔、放射状吹扫孔或劈缝状吹扫孔以及上述不同类型吹扫孔的组合形式。

本发明进一步的改进在于，实验测试段开设相应的拍摄窗口，以测量整圈叶栅前后的水滴含量、水滴直径以及水滴分布的变化。

一种汽轮机整圈叶栅加热吹扫除湿实验测试方法，该方法基于上述一种汽轮机整圈叶栅加热吹扫除湿实验系统，包括如下步骤：

步骤1：首先安装带有所研究吹扫孔的空心叶片，然后将整圈叶栅表面烘干；

步骤2：确保吹扫气体供应管路和水泵为关闭状态，开启气泵，通过调节阀将流量调整至预设值，温控装置监测主流气体稳流室内的主流气体温度并将其调整至预设温度值，然后开启粒度分析仪和液膜高速拍摄系统，通过检查实验测试段前后的水滴参数来判断该仪器是否正常运行；

步骤3：运行水泵并开启雾化装置，将水雾通过管道喷射至主流空气中，形成主流湿空气，同时监测主流气体稳流室内的主流湿空气温度并将其调整至预设温度值，粒度分析仪监测实验测试段前后的水滴含量、水滴直径和水滴分布参数并进行记录，同时液膜高速拍摄系统采集流动结构的图像数据并储存在系统中；

步骤4：运行吹扫气体供应管路中的压气机，并通过该管路中的调节阀将吹扫气体流量调整至预设值，同时温控系统将吹扫气体稳流室内的吹扫气体加热至预设温度，此时加热后的吹扫气体依次通过吹扫气体主管道、吹扫气体分配腔和吹扫气体支管道进入整圈叶栅的叶片空腔中，然后通过若干吹扫孔进入主流通道中；粒度分析仪监测并记录实验测试段前后的水滴含量、水滴直径和水滴分布参数随时间的变化，处理得到该工况下的除湿率，同时液膜高速拍摄系统连续采集流动结构随时间变化的图像数据并储存在系统中，直至相关参数保持不变；

步骤5：本次实验结束后，首先关闭吹扫气体供应管路中的压气机和调节阀，继续运行主流湿空气供应管路直至整圈叶栅降至常温，然后依次停止水泵和气泵并关闭调节阀，最后关闭粒度分析仪和液膜高速拍摄系统；

步骤6：根据粒度分析仪的测试数据绘制水滴直径和除湿率随时间的变化曲线，并结合液膜高速拍摄系统获得的流动结构图像分析除湿机理，然后对比不同流动参数和不同吹扫孔的除湿性能，为实际工程中的汽轮机叶片除湿结构设计提供技术支撑。

本发明具有如下有益的技术效果：

本发明所提出的一种汽轮机整圈叶栅加热吹扫除湿实验系统及测试方法是基于整圈叶栅建立的，可以模拟叶片的实际运行状态，因而测得的数据可以直接应用于叶片除湿结构设计。本实验系统采用湿空气代替叶片末级通道中的湿蒸汽，大大简化了供气装置的复杂程度，使得系统运行更加简便、安全。主流气体和吹扫气体采用不同的供应管路，可以独立并精确地调节各通路的气体流量、压力，同时精确控制湿空气的湿度。

进一步，温控装置可以实时监测并调控主流气体稳流室和吹扫气体稳流室中的气体温度，从而保证实验的准确性和高效性。

进一步，本实验系统的实验测试段设有吹扫气体主管道、吹扫气体分配腔和整圈布置的吹扫气体支管道，使得吹扫气体可以均匀分配至各叶片空腔中。

进一步，叶片空腔的两个侧面分别与空心叶片的压力面和吸力面平行，使得两侧的壁面厚度保持均匀，一方面提高了叶片结构强度，另一方面便于各吹扫孔的布置。

进一步，可根据实验需求在叶片表面加工不同形状的吹扫孔，以研究孔型对除湿性能的影响，此外本发明还提出了新型的放射状和劈缝状吹扫孔，可以预期提高叶片的除湿率。

进一步，本发明采用粒度分析仪和液膜高速拍摄系统的组合方式对除湿性能参数进行数据采集，不但可以获得直接的除湿率、水滴分布等性能参数，还可以捕捉液膜的流动结构变化，对除湿性能的流动机理进行深入剖析。

由上述内容可知，本发明建立了一种汽轮机整圈叶栅加热吹扫除湿实验系统及测试方法，为汽轮机叶片的加热吹扫除湿结构设计提供了一套模块完备、运行高效、测试准确的实验系统，并给出了详细的测试步骤，可对多种吹扫孔结构的除湿性能进行研究，并解释相关流动机理。

附图说明

图1是汽轮机整圈叶栅加热吹扫实验系统；

图2是整圈叶栅结构及空心叶片吹扫气流供应方式；

图3是空心叶片结构及吹扫孔布置方式。

附图标记说明：

1为气泵，2为调节阀，3为储液箱，4为水泵，5为雾化装置，6为主流气体稳流室，7为流量计，8为压力表，9为温控装置，10为压气机，11为吹扫气体稳流室，12为实验测试段，13为粒度分析仪，14为液膜高速拍摄系统，15为吹扫气体主管道，16为吹扫气体分配腔，17为吹扫气体支管道，18为空心叶片，19为叶片空腔，20为吹扫孔，201为方形吹扫孔，202为椭圆形吹扫孔，203为放射状吹扫孔，204为劈缝状吹扫孔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

参照图1和图2，本发明所提供的一种汽轮机整圈叶栅加热吹扫除湿实验系统，包括主流湿空气供应管路、吹扫气体供应管路、实验测试段12和除湿测试系统；主流湿空气供应管路包括气泵1、调节阀2、储液箱3、水泵4、雾化装置5、主流气体稳流室6和相应的供应管道；吹扫气体供应管路包括压气机10、吹扫气体稳流室11、调节阀2和相应的供应管道；实验测试段12包括主流通道、吹扫气体主管道15、吹扫气体分配腔16、吹扫气体支管道17和整圈叶栅；除湿测试系统包括粒度分析仪13和液膜高速拍摄系统14。

气泵1经过一个调节阀2与主流气体稳流室6进口连接，储液箱3通过水泵4连接至雾化装置5，雾化装置5出口连接至该调节阀2与主流气体稳流室6之间的供应管道，主流气体稳流室6出口与实验测试段12的主流通道连接；压气机10出口通过供应管道与吹扫气体稳流室11进口连接，吹扫气体稳流室11出口经过另一个调节阀2连接至实验测试段12的吹扫气体主管道15；主流气体稳流室6与实验测试段12之间、吹扫气体稳流室11与吹扫气体主管道15之间均安装有流量计7和压力表8；吹扫气体主管道15连接至吹扫气体分配腔16，吹扫气体分配腔16通过若干吹扫气体支管道17与整圈叶栅底部连接，整圈叶栅包含若干空心叶片18，其内部设有叶片空腔19，表面布置有若干吹扫孔20；实验测试段12进口和出口均设有粒度分析仪13，并开设相应的拍摄窗口，以测量整圈叶栅前后的水滴含量、水滴直径以及水滴分布的变化。液膜高速拍摄系统14用于采集流动结构的图像数据并储存在系统中。此外，实验系统中还设有温控装置9，与主流气体稳流室6和吹扫气体稳流室11连接，以调节主流湿空气和吹扫气体温度。

参照图2和图3，叶片空腔19开设在空心叶片18的中后部区域，其两个侧面分别与空心叶片18的压力面和吸力面平行，且空心叶片18的压力面和吸力面均开设有吹扫孔20，将叶片空腔19和主流通道连通。空心叶片18表面的吹扫孔20可以为方形吹扫孔201、椭圆形吹扫孔202、放射状吹扫孔203、劈缝状吹扫孔204以及上述不同类型吹扫孔的组合形式。

参照图1，图2和图3，一种汽轮机整圈叶栅加热吹扫除湿实验测试方法，包括如下步骤：

步骤1：首先安装带有所研究吹扫孔20的空心叶片18，然后将整圈叶栅表面烘干；

步骤2：确保吹扫气体供应管路和水泵4为关闭状态，开启气泵1，通过调节阀2将流量调整至预设值，温控装置9监测主流气体稳流室6内的主流气体温度并将其调整至预设温度值，然后开启粒度分析仪13和液膜高速拍摄系统14，通过检查实验测试段12前后的水滴参数来判断该仪器是否正常运行；

步骤3：运行水泵4并开启雾化装置5，将水雾通过管道喷射至主流空气中，形成主流湿空气，温控装置9监测主流气体稳流室6内的主流湿空气温度并将其调整至预设温度值，粒度分析仪13监测实验测试段12前后的水滴含量、水滴直径和水滴分布等参数并进行记录，同时液膜高速拍摄系统14采集流动结构的图像数据并储存在系统中；

步骤4：运行吹扫气体供应管路中的压气机10，并通过该管路中的调节阀2将吹扫气体流量调整至预设值，同时温控系统将吹扫气体稳流室11内的吹扫气体加热至预设温度，此时加热后的吹扫气体依次通过吹扫气体主管道15、吹扫气体分配腔16和吹扫气体支管道17进入整圈叶栅的叶片空腔19中，然后通过若干吹扫孔20进入主流通道中。粒度分析仪13监测并记录实验测试段12前后的水滴含量、水滴直径和水滴分布等参数随时间的变化，处理得到该工况下的除湿率，同时液膜高速拍摄系统14连续采集流动结构随时间变化的图像数据并储存在系统中，直至相关参数保持不变；

步骤5：本次实验结束后，首先关闭吹扫气体供应管路中的压气机10和调节阀2，继续运行主流湿空气供应管路直至整圈叶栅降至常温，然后依次停止水泵4和气泵1并关闭调节阀2，最后关闭粒度分析仪13和液膜高速拍摄系统14；

步骤6：根据粒度分析仪13的测试数据绘制水滴直径和除湿率随时间的变化曲线，并结合液膜高速拍摄系统14获得的流动结构图像分析除湿机理，然后对比不同流动参数和不同吹扫孔20的除湿性能，为实际工程中的汽轮机叶片除湿结构设计提供技术支撑。