一种应用于汽轮机叶片表面的防水蚀微尺度环形槽结构的制作方法

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叶片表面的防水蚀微尺度环形槽结构。

背景技术：

汽轮机是一种以蒸汽为工质，将蒸汽的热能转化为机械功的热力透平，是目前火力发电厂主要部件之一。近年来，单机容量不断增大、机组参数不断提高成为我国电站汽轮机发展的主要方向。大功率超临界、超超临界汽轮机的末级叶片(部分机组的次末级叶片)通常工作在湿蒸汽区，在这些汽轮机级内叶片的水蚀问题也越来越严重。在西屋公司生产的汽轮机中，近400台发生了由于水蚀造成的叶片断裂事故，在叶片断裂事故中占了很大比例。因此，有效地减轻叶片水蚀成为了保证汽轮机高效稳定运行的关键技术之一。

过饱和湿蒸汽膨胀到wilson点时，蒸汽中通过自发凝结产生了大量微小的凝结核心，核心逐渐生长成为直径在0.01-1μm之间的水滴，称为一次水滴。一次水滴能够较好地随主流流动，基本不造成水蚀。部分一次水滴在叶片表面上沉积形成水膜，水膜在叶片尾缘撕裂、破碎形成直径在几十甚至上百微米的二次水滴，二次水滴在离心力和气流的作用下与动叶片进汽边背弧撞击造成动叶片水蚀问题。当射流液滴作用于叶片表面时，叶片表面很小的面积上被施加了一极大的力，形成很大的局部压力。叶片内的应力随着压力的提升而不断提升，而最大压力点则位于射流边界上，在这一区域内形成了极大的剪切应力。当这一剪切应力达到材料所能承受的临界值时，切削作用将在叶片表面产生裂纹，造成水蚀问题。随着射流液滴的继续作用，裂纹将伴随切削作用在叶片表面扩展，水蚀问题进一步严重。结合以上分析可知，减小液固撞击局部应力集中、阻断侧向高速射流生成是减轻叶片水蚀的一种有效途径。

此外，汽轮机末级叶片多采用扭叶片，射流液滴会以不同的方向和角度撞击叶片表面。因此，在提出减轻叶片水蚀问题的方法时，应当考虑不同方向射流造成的水蚀问题，以提高方法的实用性。

技术实现要素：

本实用新型的目的是结合高速液滴及射流撞击过程中最大应力出现位置以及实际叶片危险水滴尺寸，提供了一种应用于汽轮机叶片表面的防水蚀微尺度环形槽结构，该结构在减小液固撞击局部应力集中、阻断侧向高速射流生成的同时，有利于后续液滴附着以及水膜的形成，从而减轻或防止叶片表面水蚀。

为了达到以上目的，本实用新型采用如下技术方案来实现的：

一种应用于汽轮机叶片表面的防水蚀微尺度环形槽结构，包括基材，以及由内至外开设在基材表面上的一系列同心的微尺度环形槽结构。

本实用新型进一步的改进在于，微尺度环形槽结构最内侧圆直径为100-105μm，相邻两圆间距为100-105μm。

本实用新型进一步的改进在于，微尺度环形槽结构的槽宽度为50-52μm，槽深度为25-26μm。

本实用新型进一步的改进在于，微尺度环形槽结构采用矩形槽、三角形槽或圆形槽。

本实用新型具有如下有益的技术效果：

本实用新型提供的一种应用于汽轮机叶片表面的防水蚀微尺度环形槽结构，具体包括在动叶片进汽边背弧表面加工的一系列微尺度的同心环形槽结构。当不同尺寸的射流液滴以不同角度、方向冲击叶片表面时，该射流的边界将有大概率处于微尺度槽结构范围内，此时射流的最大应力点未作用在叶片表面，叶片表面所受到的压应力大大减小；同时，射流撞击叶片表面产生的侧向高速射流将被槽结构阻断，造成叶片表面材料脱落的剪切应力极大减小。

概括来讲，本实用新型具有以下优点：

1、所述微尺度环形槽结构能够有效减小射流作用时动叶片表面的局部应力集中、阻断侧向高速射流生成。此外，该结构增大了动叶片表面粗糙度，有利于射流液滴的附着以及水膜的形成，能够进一步减轻叶片受水蚀的程度；

2、所述微尺度环形槽结构采用同心环形布置，能够有效应对由于动叶片采用扭叶片设计而造成的射流冲击角度、方向不同的问题，具有一定实用性；

3、所述微尺度环形槽结构的最内侧环形槽直径100-105μm，相邻两槽相距100-105μm，槽宽度50-52μm，槽深度25-26μm。对于汽轮机，其危险液滴尺寸为20μm-200μm，不同尺寸液滴数量近似服从正态分布。也就是说，直径100μm的液滴占了绝大多数。因此，所属微尺度环形槽结构采用上述尺寸能够有效作用于大多数射流液滴，具有一定的实际意义；

4、所述微尺度环形槽结构可采用矩形槽、三角形槽和圆形槽，能够满足不同的加工条件与加工方式；

5、所述微尺度环形槽结构加工制造工艺简单，适用性广，且成本较低，有利于工业化生产。

附图说明

图1是本实用新型一种应用于汽轮机叶片表面的防水蚀微尺度环形槽结构的示意图，以圆形槽为例；

图2是本实用新型一种应用于汽轮机叶片表面的防水蚀微尺度环形槽结构的主视图，以圆形槽为例；

图3是本实用新型一种应用于汽轮机叶片表面的防水蚀微尺度环形槽结构的a-a截面视图，以圆形槽为例；

图4是本实用新型应用于汽轮机末几级叶片位置的示意图；

图5是射流液滴与普通基材表面相互作用过程的示意图；其中，图5(a)为射流液滴冲击前状态示意图，图5(b)为射流液滴冲击瞬间状态示意图，图5(c)为叶片表面产生裂纹状态示意图，图5(d)为压缩波到达冲击区域中心状态示意图，图5(e)为冲击结束状态示意图；

图6是射流液滴与采用所述微尺度环形槽结构基材表面相互作用过程的示意图，以圆形槽为例，其中，图6(a)为射流液滴冲击前状态示意图，图6(b)为射流液滴冲击瞬间状态示意图，图6(c)为压缩波到达冲击区域中心状态示意图，图6(d)为冲击结束状态示意图。

附图标记说明：

1-基材；2-微尺度环形槽结构；3-高速射流液滴；4-压缩波；5-叶片表面裂纹；6-叶片进汽边背弧水蚀区。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型作进一步说明：

参见图1到图6，本实用新型提供的一种应用于汽轮机叶片表面的防水蚀微尺度环形槽结构，包括基材1，以及在基材1表面加工的一系列同心的微尺度环形槽结构2，可根据实际需要加工若干个同心的微尺度环形槽结构。所述微尺度环形槽结构最内侧环形槽直径a取100-105μm，槽间距离b取100-105μm，槽宽度c取50-52μm，槽深度d取25-26μm。所述微尺度环形槽结构可根据加工方式与加工条件采用圆形槽，矩形槽或三角形槽，且前述尺寸对于以上三种形状的槽均适用。本实用新型主要针对汽轮机低压末几级叶片的水蚀问题，因此所述微尺度环形槽结构主要应用于图4中的末几级叶片进汽边背弧水蚀区6，此处最易发生水蚀。

为了对本实用新型进一步了解，现分别分析普通基材和采用所述微尺度环形槽结构的基材在受到射流冲击时射流液滴与材料间的相互作用过程，从而说明所述微尺度环形槽结构的防水蚀功能。

参见图5，该过程可分为以下五部分。图5(a)～(b)高速射流液滴3以速度v向基材1运动。当射流液滴与材料表面接触瞬间，射流液滴速度发生了变化，从而导致射流液滴内部压力和材料内部应力场发生突变。在射流液滴的冲击下，材料表面很小的区域内被施加了一个很大的压力。材料内部应力随着压力的增加而增大，而最大压力点位于射流边界上，局部最大压力根据公式p＝e*v÷c计算，其中e为水的弹性模量，v为射流液滴运动速度，c为水中音速。因此在这一区域形成最大的剪切应力；同时，射流液滴内部受压，在液-固接触面边缘产生压缩波4。图5(c)～(e)当射流边界处的剪切应力达到临界值时，叶片表面裂纹5便伴随着射流的切削作用在材料表面产生。随着射流的进一步作用，液-固接触面边缘向径向流动，产生了侧向的高速射流。侧向射流产生的切削作用导致裂纹在叶片表面进一步扩展。同时，压缩波由接触面边缘以速度c向接触面中心传播，射流液滴内部压力得到释放。当压缩波4由液固接触面边缘到达中心后，材料表面受到的压力全部降低至射流液滴的滞止压力，材料内部剪切应力减小，侧向射流切削作用减弱。同时，液滴内部受压状态消失，射流液滴沿接触面径向流动。

参见图6，图6(a)、(b)中，射流液滴3以速度v向具有所述微尺度环形槽结构2的基材1运动。当射流液滴接触材料表面时，只有靠近中心区域的射流液滴与材料表面接触，而应力最大的射流边界点则位于微尺度槽的上方。因此，材料受到的压力大大减小，材料内部应力相应减小。在接触面边缘，射流液滴内部同样产生了压缩波4。图6(c)中，随着射流液滴进一步作用，接触面边缘向径向移动，产生的高速侧向射流被微尺度环形槽结构2阻挡，未在材料表面产生切削作用。压缩波4以速度c由接触面边缘向中心传播，由于接触面半径较小，因此压缩波很快传播至中心，材料表面受到的压力降低至射流液滴的滞止压力。整个过程中，压力最高的射流边缘点并未作用在材料表面。图6(d)为冲击结束状态示意图。此外，高速射流液滴3将有部分贮存在所述的微尺度环形槽结构内，形成水膜，有利于减弱后续液滴的进一步作用。由此，所述微尺度环形槽结构有效防止了水蚀问题。