鐘主海，江生科

(東方汽輪機有限公司，四川 德陽，618000)

超超臨界汽輪機組固體顆粒沖蝕的數(shù)值研究

鐘主海，江生科

(東方汽輪機有限公司，四川 德陽，618000)

文章采用商用計算流體動力學(xué)軟件CFX，針對某1 000 MW汽輪機組，采用歐拉－拉格朗日法，數(shù)值模擬了高壓缸首級通道內(nèi)固體顆粒的運動特性，結(jié)果表明：不同粒徑的固體顆粒對葉片的沖蝕有著不同的影響，固體顆粒直徑越大，發(fā)生碰撞時的角度越大,撞擊點位置越接近前緣。固體顆粒在靜葉壓力面、吸力面撞擊點的撞擊角度均在0°~15°之間。靜動葉內(nèi)的沖蝕區(qū)主要集中在壓力面的中后部，并且靜葉受沖蝕的程度遠大于動葉。文章還對靜葉出汽邊采用Cr2C3抗沖蝕涂層后的流動情況進行了分析和比較，結(jié)果表明，采用Cr2C3抗沖蝕涂層對葉片氣動性能影響不大。

汽輪機，固體顆粒，沖蝕，抗沖蝕涂層

Abstract：Based on Euler-lagrange method， a numerical sirnulation on the motion behavior of solid particles in the first stage passage of one 1 000 MW steam turbine high pressure cylinder was conducted by the commercial computational flow dynamics software CFX．The results showed that the solid particles with different sizes had different effects on the erosion of blades．The larger the diameter of solid particle is,the larger the anagle of impact is,the closer the impact point is to the leading edge．The impacting angle of solid particles on the impact point of the stator blade pressure surface and the suction surface is between 0°～15°．The erosion area stationary blade and moving blade was concentrated in the rear of the pressure surface．And the degree of eiosion of stationary blades was greater than that of moving blades．This paper also analyzed and compared the flow situation of the exit of stationary blade of that Cr2C3anti erosion ceating．The results showed that Cr2C3anti erosion coating caused little impact to the performance of the turbine stage．

Key words：steam turbine,solid particles,erosion,anti erosion coating

0 引言

隨著機組初溫的提高，鍋爐和管道系統(tǒng)的高溫氧化加劇，從管路內(nèi)壁脫落的氧化物除了頻繁堵塞鍋爐過熱管和再熱管外，還將隨高速汽流進入汽輪機對調(diào)節(jié)級噴嘴和再熱后第一級靜葉產(chǎn)生嚴重的固體顆粒沖蝕（簡稱SPE）破壞，導(dǎo)致汽輪機做功效率降低、軸系振動和軸向推力增大，目前其已成為影響高參數(shù)汽輪機安全性和經(jīng)濟性的一個突出問題。

固體顆粒沖蝕之所以集中在調(diào)節(jié)級噴嘴和再熱后第一級靜葉主要有兩個原因：（1）與下游的壓力級相比，這兩級葉柵的流道面積小、汽流密度大、速度高，導(dǎo)致單位葉柵表面積承受更高的粒子沖擊頻率和粒子速度；（2）從鍋爐來的高速粒子首先撞擊這兩級葉柵并發(fā)生破碎，從而對下游壓力級的威脅大大降低。相比于再熱后第一級靜葉，調(diào)節(jié)級噴嘴內(nèi)的汽流密度更大、粒子速度更高、喉部面積也更小，因此沖蝕也更嚴重。

鑒于汽輪機固體顆粒沖蝕的存在及其所帶來的危害，國內(nèi)外研究人員一直對汽輪機固體顆粒沖蝕問題進行相關(guān)研究。在汽輪機固體顆粒沖蝕的數(shù)值研究方面，Tabakoff W和Hamed A[1]對汽輪機的調(diào)節(jié)級和中壓缸第一級內(nèi)的固體顆粒沖蝕規(guī)律進行了數(shù)值研究，結(jié)果表明，當(dāng)級間粒子反彈和葉片材料抗沖蝕特性采用試驗獲得的經(jīng)驗公式時，粒度的分布范圍對葉片沖蝕強度具有較大影響。

戴麗萍[2-3]等人對某超臨界汽輪機調(diào)節(jié)級內(nèi)的固體顆粒沖蝕特性進行了數(shù)值研究，結(jié)果表明，氧化鐵固體顆粒的碰撞位置、碰撞速度和碰撞角度主要與固體顆粒尺寸和噴嘴組運行工況有關(guān)。碰撞角和碰撞速度隨著碰撞軸向位置的增加而增大。固體顆粒越大，發(fā)生碰撞時的速度越小、角度越大；機組在不同負荷下工作時，噴嘴進出口焓降越大，固體顆粒發(fā)生碰撞時的速度越大、碰撞角越小，且當(dāng)噴嘴通道采用合適型線后可明顯降低固體顆粒的沖蝕強度。

Alfonso[4]等人就300 MW汽輪機噴嘴的固體顆粒沖蝕問題進行了數(shù)值研究，研究中對模擬的固體顆粒采用離散相模型，對汽體連續(xù)相采用歐拉守恒方程。結(jié)果表明，固體顆粒的粒徑、沖擊角和固體顆粒的速度都將對噴嘴表面沖蝕率產(chǎn)生影響，噴嘴表面沖蝕率隨固體顆粒粒徑的增加幾乎呈線性增加。

早在20世紀(jì)60年代，美國GE公司就對一些涂層的抗沖蝕特性進行了試驗研究[5]。近年來國內(nèi)的制造廠采用了葉片的氣動抗沖蝕設(shè)計與表面強化等方法，并取得了顯著效果。東方汽輪機廠2005年引進日立超超臨界1 000 MW機組的調(diào)節(jié)級和再熱第1級靜動葉就采用了含鈮鋼材料，且在靜葉出汽邊熱噴涂了Cr2C3抗沖蝕涂層，能有效減緩了固體顆粒沖蝕[6]。

由于對固體顆粒沖蝕影響的因素多而復(fù)雜，不僅固體顆粒的物性等對沖蝕效果有影響而且對不同的機組，不同的運行方式也會導(dǎo)致固體顆粒在其內(nèi)部的運動軌跡存在明顯差異，這就大大增加了試驗研究的成本和復(fù)雜性。鑒于對固體顆粒在汽輪機葉柵通道內(nèi)部的流動規(guī)律仍存在許多需要進一步研究的地方，因此本文以某1 000 MW超超臨界汽輪機組高壓缸首級為例，對固體顆粒在汽輪機內(nèi)的沖蝕部位以及沖蝕機理進行了三維流場數(shù)值研究。

1 幾何模型和數(shù)值方法

1.1 幾何模型

本文所研究的對象是某1 000 MW汽輪機組高壓缸的首級，該級靜葉所采用的為后加載葉型，其葉片數(shù)為50只，對應(yīng)的動葉片數(shù)為72只，靜葉和動葉葉片材料均為12Cr鋼，靜、動葉片均為直葉片，其葉片型線如圖1所示，其中b和B分別是葉柵弦長和軸向?qū)挾?，t是葉柵節(jié)距，ζ是葉柵表面絕對粗糙度，表面相對粗糙度定義為ζ/B。由于所研究機組的高壓缸首級葉片均采用了Cr2C3抗沖蝕涂層，其必會改變?nèi)~柵表面的粗糙度，因此必須對噴涂抗沖蝕涂層前后的壁面粗糙度都進行測量，測量結(jié)果如表1所示。

圖1 葉柵型線

表1 葉柵的幾何特性參數(shù)

1.2 網(wǎng)格劃分

采用H-O-H結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，保證壁面網(wǎng)格y+為5左右，并進行網(wǎng)格無關(guān)性驗證。圖2為計算區(qū)域（高壓缸第一級）網(wǎng)格示意圖，網(wǎng)格節(jié)點總數(shù)約為360萬。

圖2 高壓缸第一級葉柵網(wǎng)格示意圖

1.3 控制方程求解及邊界條件

CFD計算采用全三維N-S方程和SST湍流模型。計算中對控制方程和邊界條件進行有限元離散，動量、能量、湍動能以及湍流耗散率的離散格式均采用高分辨率的二階迎風(fēng)格式。計算工質(zhì)為過熱水蒸汽、固體顆粒，進口給定總壓、總溫、流動方向；出口給定中徑處的靜壓，并將簡單徑向平衡方程運用于出口面。在葉片內(nèi)、背弧和上下端壁給定無滑移條件，除此之外，計算區(qū)域的特殊邊界位置上還需給出周期性邊界條件。

1.4 固體顆粒運動特性

粒子在汽輪機葉柵內(nèi)的運動為離散相的氣固兩相流，可采用分散固體顆粒群模型進行計算。即，固體顆粒運動的數(shù)學(xué)描述及處理方法采用拉格朗日方法，主要方法是對流場中每個粒子起始點的瞬態(tài)速度矢量υp積分以獲得各個時間步長內(nèi)的位移，粒子位移的時間歷程就是粒子運動軌跡。粒子周圍流體的各種變量，如密度、速度和粘性系數(shù)等都可以通過已完成的連續(xù)相流場計算獲得。在超臨界或超超臨界汽輪機內(nèi)，由于粒子密度遠大于流體密度，使得Stokes阻力比其他各種力高2個數(shù)量級以上，因此可只考慮慣性力和汽流的粘性阻力。

1.5 沖蝕率模型

根據(jù)已有文獻[7]，材料的沖蝕率εm（單位：mg/g）與粒子撞擊速度V、角度β和材料溫度T常常存在如式（1）關(guān)系：

式（1）雖套用了微切削理論沖蝕率計算的基本模式，但增加了試驗溫度對沖蝕率的影響。這意味著對每種材料都需要確定自己的溫度函數(shù)KT（T），粒子撞擊角度函數(shù)Q（β）以及速度指數(shù)函數(shù)n（β）。從式（1）可以看出，對汽輪機的高壓缸首級和中壓缸第一級來說，其內(nèi)部的溫度場確定，固體顆粒的沖蝕特性主要取決于沖蝕角度函數(shù)以及撞擊速度。因此，本文主要基于沖蝕角度和撞擊速度等因素研究了固體顆粒的沖蝕特性。

2 計算結(jié)果及分析

本文對固體顆粒運動軌跡采用離散固體顆粒群軌跡模型，首先對某1 000 MW機組高壓缸第一級靜、動葉柵流動通道內(nèi)的流場在設(shè)計工況下進行了數(shù)值研究。圖3～5所示為不同尺寸固體顆粒在葉高中徑截面處靜、動葉柵流動通道內(nèi)的蒸汽和固體顆粒速度分布圖。從圖中可以看出，不同尺寸固體顆粒對葉高通道中徑截面上蒸汽和固體顆粒速度分布的影響完全可以忽略，蒸汽在流動通道內(nèi)的運動完全由葉柵幾何特性參數(shù)和其所處的邊界條件所決定，而固體顆粒的運動軌跡受慣性作用力和汽流作用力的影響。即汽流進入流動通道內(nèi)，在流向上壓力逐漸降低，壓力面與吸力面的壓差進一步增加，在此橫向壓力梯度的作用下，蒸汽由壓力面流向吸力面，而在慣性作用力影響下，較多的固體顆粒與靜葉壓力面中后部區(qū)域發(fā)生碰撞。碰撞后的固體顆粒在汽流力作用下，順著汽流直接流出靜葉通道，從靜葉通道流出的固體顆粒首先撞擊動葉前緣，反彈之后大部分固體顆粒撞擊到動葉壓力面中后部區(qū)域。從各不同尺寸固體顆粒速度分布圖可以看出，固體顆粒在進入動葉通道前已經(jīng)和前面靜葉發(fā)生過多次不同程度的碰撞，導(dǎo)致動葉通道內(nèi)的固體顆粒速度大幅降低 （由靜葉通道最大約300 m/s降低至動葉通道最大約120 m/s），削弱了固體顆粒對動葉的沖蝕程度。

圖3 葉高通道中徑截面上蒸汽、固體顆粒的速度分布圖（固體顆粒直徑為15 μm）

圖4 葉高通道中徑截面上蒸汽、固體顆粒的速度分布圖（固體顆粒直徑為30 μm）

圖5 葉高通道中徑截面上蒸汽、固體顆粒的速度分布圖（固體顆粒直徑為45 μm）

前面介紹的沖蝕率模型表明固體顆粒撞擊葉柵壁面的沖蝕率與固體顆粒的碰撞角β及碰撞速度有關(guān)。在500℃下，氧化鐵粒子對12Cr沖蝕試驗結(jié)果表明[8]，碰撞角為30°左右對固體材料沖蝕率達到最大值，如圖6所示。因此高壓缸首級葉柵的氣動設(shè)計應(yīng)使固體顆粒撞擊角避開30°左右的高沖蝕率區(qū)，同時還應(yīng)該盡量降低固體顆粒的撞擊速度。因此為了說明所研究機組的抗沖蝕能力，有必要對設(shè)計工況下不種尺寸固體顆粒的運動軌跡特性進行相關(guān)的研究。圖7所示為直徑分別為15 μm、 30 μm 和 45 μm 的固體顆粒在高壓缸第一級內(nèi)運動軌跡的周向投影，由圖可見，靠近壓力面的固體顆粒撞擊在靠近前緣的壓力面區(qū)域，撞擊角度較大；而靠近吸力面的撞擊在吸力面的中尾部區(qū)域，且撞擊角度較?。粡撵o葉柵流出的固體顆粒首先撞擊動葉前緣，反彈之后大部分固體顆粒撞擊到動葉壓力面中后部區(qū)域，之后反彈流出通道；固體顆粒直徑越小，越容易受到汽流作用的影響，軌跡也越接近汽流方向，撞擊位置越靠近尾緣；固體顆粒直徑越大，固體顆粒越偏離汽流，撞擊點位置也會有所前移，撞擊角度呈增加的趨勢。對于動葉而言，由于動葉壓力面中后部區(qū)域的固體顆粒撞擊速度不是很大，撞擊角度也較小，因此該區(qū)域所受的沖蝕程度較輕。

圖6 固體材料沖蝕率與碰撞角度的關(guān)系

圖7 高壓缸首級靜、動葉通道內(nèi)固體顆粒運動軌跡的周向投影

圖8 高壓缸首級靜葉通道內(nèi)固體顆粒的運動軌跡

圖8為不同粒徑固體顆粒在靜葉通道內(nèi)不同葉高位置處的運動軌跡。從圖中可以看出，固體顆粒粒徑越大，固體顆粒越偏離汽流，撞擊點位置會大幅向前緣移動，顯著減少撞擊在靜葉出口邊表面上的固體顆粒數(shù)量。在所研究的粒徑分布范圍內(nèi)，固體顆粒對壓力面的葉根、葉頂撞擊點位置存在滯后現(xiàn)象，這使得靜葉壓力面的葉根、葉頂處固體顆粒侵蝕率明顯降低。

圖9 不同直徑固體顆粒撞擊靜葉壓力面、吸力面的碰撞角分布云圖

圖9表示了不同直徑固體顆粒撞擊靜葉壓力面、吸力面的碰撞角分布。從圖中可以看到，不同撞擊點間的碰撞角分散度較大，大多數(shù)撞擊點的撞擊角度在 0°～15°之間，明顯低于葉柵材料12Cr鋼最大沖蝕率對應(yīng)的角度范圍，這表明，該機組高壓缸首級葉型的選擇合理，其抗沖蝕性能優(yōu)異。從圖中初步分析認為，撞擊點處碰撞角的分布主要與粒子尺寸和葉柵幾何特征參數(shù)有關(guān)。并隨固體顆粒直徑增加，固體顆粒運動越趨近于直線運動，撞擊點位置會向前緣移動，撞擊點的撞擊角度都逐漸增大。對于同樣尺寸的固體顆粒，固體顆粒與壓力面、吸力面碰撞的規(guī)律相差較大。壓力面上固體顆粒的碰撞角度明顯大于吸力面上固體顆粒的碰撞角度，這表明固體顆粒對高壓缸首級的沖蝕主要集中在靜葉柵的壓力面上；壓力面與固體顆粒碰撞角的分布在流向方向上逐漸減小，吸力面與固體顆粒碰撞角的分布在流向方向上逐漸增加，且局部區(qū)域撞擊點會出現(xiàn)較大的碰撞角。

已有研究表明[6]，噴涂了抗沖蝕涂層葉柵的抗沖蝕能力均比基材高很多。但在實際應(yīng)用中，受葉柵結(jié)構(gòu)和涂層工藝的限制，涂層本身雖能明顯增加葉柵壽命，但涂層表面的粗糙度較基材高很多，其會對汽輪機運行的經(jīng)濟性帶來影響。因此，研究涂層材料對汽輪機效率影響就顯得尤為必要。由于所研究機組的高壓缸首級采用了Cr2C3抗沖蝕涂層，其涂層的相對粗糙度約為5．38×10-5，明顯高于基材的相對粗糙度。為了明確該涂層工藝對汽輪機葉片氣動性能的影響，本文同時研究了相對粗糙物在 1．23×10-5～5．6×10-4范圍內(nèi)對其通流性能的影響。

圖10對比了級相對總效率ηT0、相對靜效率η0隨相對粗糙度的變化關(guān)系，級總效率定義為式（2）， 靜效率定義為式（3）。

其中H0T為級入口點的總焓值，H2T為排氣總焓，H2為排氣靜焓，H2s為入口定熵膨脹到排氣點的靜焓值。

級總效率、靜效率是反映葉柵級性能的一個重要參數(shù)，其中圖10中的相對總效率、相對靜效率均以葉片基材表面葉片級的總效率、靜效率為基準(zhǔn)進行了歸一化處理。從圖中可以看出，隨著葉片表面粗糙度的增加，設(shè)計工況下該級的總效率和靜效率均降低。就靜效率值而言，與基材表面葉片相比，葉片損失隨著表面相對粗糙度增大依次增大，當(dāng)相對粗糙度為5．68×10-4時相對靜效率下降0．23%。從圖中也可以看到，級相對效率隨表面相對粗糙度增加而降低的趨勢逐漸變強，說明表面相對粗糙度的影響正逐漸變大?？梢缘贸鲞@樣的結(jié)論：隨著葉片表面相對粗糙度的增大，繞流葉柵的流動阻力增加，損失增大；相對總效率和相對靜效率隨葉片表面相對粗糙度的增加，二者的差值逐漸減小，分析認為：增大表面粗糙度雖然能在一定程度上起到抑制邊界層分離的作用，但同時帶來的動能損失更大，導(dǎo)致相對總效率和相對靜效率逐漸接近。由此可以進一步看出，對于噴涂抗沖蝕涂層的透平葉片，其在設(shè)計工況條件下，抗沖蝕涂層的相對粗糙度對葉片氣動性能影響不大。

圖10 級相對效率隨相對粗糙度的變化關(guān)系

3 結(jié)論

（1）尺寸 15～45 μm 的固體顆粒在所研究機組高壓缸首級通道內(nèi)運動時，大部分固體顆粒會撞擊在靜葉壓力面上。固體顆粒在靜葉壓力面中后部區(qū)域的撞擊速度明顯高于動葉區(qū)域的撞擊速度，固體顆粒直徑越大，發(fā)生碰撞時的角度越大。

（2）固體顆粒在靜葉壓力面、吸力面撞擊點的撞擊角度在0°～15°，明顯低于12Cr材料的高沖蝕率區(qū)域，這表明該機組高壓缸首級葉型的選擇合理，其抗沖蝕性能優(yōu)異。

（3）固體顆粒對靜葉壓力面的葉根、葉頂撞擊點位置存在滯后現(xiàn)象，這使得靜葉壓力面的葉根、葉頂處固體顆粒侵蝕率明顯降低。

（4）Cr2C3抗沖蝕涂層的相對粗糙度對葉片氣動性能影響不大。

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Numerical Investigation of Solid Particles Erosion in an Ultra-supercritical Steam Turbine Unit

Zhong Zhuhai，Jiang Shengke
（Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

TK262

A

1674-9987（2017）03-0022-06

10．13808/j．cnki．issn1674-9987．2017．03．006

鐘主海 （1985-），男，碩士，2012年畢業(yè)于西安交通大學(xué)熱能工程專業(yè)，現(xiàn)主要從事汽輪機的設(shè)計研發(fā)工作。