超超临界汽轮机组固体颗粒冲蚀的数值研究

钟主海，江生科

(东方汽轮机有限公司，四川 德阳，618000)

超超临界汽轮机组固体颗粒冲蚀的数值研究

钟主海，江生科

(东方汽轮机有限公司，四川 德阳，618000)

文章采用商用计算流体动力学软件CFX，针对某1 000 MW汽轮机组，采用欧拉－拉格朗日法，数值模拟了高压缸首级通道内固体颗粒的运动特性，结果表明：不同粒径的固体颗粒对叶片的冲蚀有着不同的影响，固体颗粒直径越大，发生碰撞时的角度越大,撞击点位置越接近前缘。固体颗粒在静叶压力面、吸力面撞击点的撞击角度均在0°~15°之间。静动叶内的冲蚀区主要集中在压力面的中后部，并且静叶受冲蚀的程度远大于动叶。文章还对静叶出汽边采用Cr2C3抗冲蚀涂层后的流动情况进行了分析和比较，结果表明，采用Cr2C3抗冲蚀涂层对叶片气动性能影响不大。

汽轮机，固体颗粒，冲蚀，抗冲蚀涂层

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

随着机组初温的提高，锅炉和管道系统的高温氧化加剧，从管路内壁脱落的氧化物除了频繁堵塞锅炉过热管和再热管外，还将随高速汽流进入汽轮机对调节级喷嘴和再热后第一级静叶产生严重的固体颗粒冲蚀（简称SPE）破坏，导致汽轮机做功效率降低、轴系振动和轴向推力增大，目前其已成为影响高参数汽轮机安全性和经济性的一个突出问题。

固体颗粒冲蚀之所以集中在调节级喷嘴和再热后第一级静叶主要有两个原因：（1）与下游的压力级相比，这两级叶栅的流道面积小、汽流密度大、速度高，导致单位叶栅表面积承受更高的粒子冲击频率和粒子速度；（2）从锅炉来的高速粒子首先撞击这两级叶栅并发生破碎，从而对下游压力级的威胁大大降低。相比于再热后第一级静叶，调节级喷嘴内的汽流密度更大、粒子速度更高、喉部面积也更小，因此冲蚀也更严重。

鉴于汽轮机固体颗粒冲蚀的存在及其所带来的危害，国内外研究人员一直对汽轮机固体颗粒冲蚀问题进行相关研究。在汽轮机固体颗粒冲蚀的数值研究方面，Tabakoff W和Hamed A[1]对汽轮机的调节级和中压缸第一级内的固体颗粒冲蚀规律进行了数值研究，结果表明，当级间粒子反弹和叶片材料抗冲蚀特性采用试验获得的经验公式时，粒度的分布范围对叶片冲蚀强度具有较大影响。

戴丽萍[2-3]等人对某超临界汽轮机调节级内的固体颗粒冲蚀特性进行了数值研究，结果表明，氧化铁固体颗粒的碰撞位置、碰撞速度和碰撞角度主要与固体颗粒尺寸和喷嘴组运行工况有关。碰撞角和碰撞速度随着碰撞轴向位置的增加而增大。固体颗粒越大，发生碰撞时的速度越小、角度越大；机组在不同负荷下工作时，喷嘴进出口焓降越大，固体颗粒发生碰撞时的速度越大、碰撞角越小，且当喷嘴通道采用合适型线后可明显降低固体颗粒的冲蚀强度。

Alfonso[4]等人就300 MW汽轮机喷嘴的固体颗粒冲蚀问题进行了数值研究，研究中对模拟的固体颗粒采用离散相模型，对汽体连续相采用欧拉守恒方程。结果表明，固体颗粒的粒径、冲击角和固体颗粒的速度都将对喷嘴表面冲蚀率产生影响，喷嘴表面冲蚀率随固体颗粒粒径的增加几乎呈线性增加。

早在20世纪60年代，美国GE公司就对一些涂层的抗冲蚀特性进行了试验研究[5]。近年来国内的制造厂采用了叶片的气动抗冲蚀设计与表面强化等方法，并取得了显著效果。东方汽轮机厂2005年引进日立超超临界1 000 MW机组的调节级和再热第1级静动叶就采用了含铌钢材料，且在静叶出汽边热喷涂了Cr2C3抗冲蚀涂层，能有效减缓了固体颗粒冲蚀[6]。

由于对固体颗粒冲蚀影响的因素多而复杂，不仅固体颗粒的物性等对冲蚀效果有影响而且对不同的机组，不同的运行方式也会导致固体颗粒在其内部的运动轨迹存在明显差异，这就大大增加了试验研究的成本和复杂性。鉴于对固体颗粒在汽轮机叶栅通道内部的流动规律仍存在许多需要进一步研究的地方，因此本文以某1 000 MW超超临界汽轮机组高压缸首级为例，对固体颗粒在汽轮机内的冲蚀部位以及冲蚀机理进行了三维流场数值研究。

1 几何模型和数值方法

1.1 几何模型

本文所研究的对象是某1 000 MW汽轮机组高压缸的首级，该级静叶所采用的为后加载叶型，其叶片数为50只，对应的动叶片数为72只，静叶和动叶叶片材料均为12Cr钢，静、动叶片均为直叶片，其叶片型线如图1所示，其中b和B分别是叶栅弦长和轴向宽度，t是叶栅节距，ζ是叶栅表面绝对粗糙度，表面相对粗糙度定义为ζ/B。由于所研究机组的高压缸首级叶片均采用了Cr2C3抗冲蚀涂层，其必会改变叶栅表面的粗糙度，因此必须对喷涂抗冲蚀涂层前后的壁面粗糙度都进行测量，测量结果如表1所示。

图1 叶栅型线

表1 叶栅的几何特性参数

1.2 网格划分

采用H-O-H结构化网格，保证壁面网格y+为5左右，并进行网格无关性验证。图2为计算区域（高压缸第一级）网格示意图，网格节点总数约为360万。

图2 高压缸第一级叶栅网格示意图

1.3 控制方程求解及边界条件

CFD计算采用全三维N-S方程和SST湍流模型。计算中对控制方程和边界条件进行有限元离散，动量、能量、湍动能以及湍流耗散率的离散格式均采用高分辨率的二阶迎风格式。计算工质为过热水蒸汽、固体颗粒，进口给定总压、总温、流动方向；出口给定中径处的静压，并将简单径向平衡方程运用于出口面。在叶片内、背弧和上下端壁给定无滑移条件，除此之外，计算区域的特殊边界位置上还需给出周期性边界条件。

1.4 固体颗粒运动特性

粒子在汽轮机叶栅内的运动为离散相的气固两相流，可采用分散固体颗粒群模型进行计算。即，固体颗粒运动的数学描述及处理方法采用拉格朗日方法，主要方法是对流场中每个粒子起始点的瞬态速度矢量υp积分以获得各个时间步长内的位移，粒子位移的时间历程就是粒子运动轨迹。粒子周围流体的各种变量，如密度、速度和粘性系数等都可以通过已完成的连续相流场计算获得。在超临界或超超临界汽轮机内，由于粒子密度远大于流体密度，使得Stokes阻力比其他各种力高2个数量级以上，因此可只考虑惯性力和汽流的粘性阻力。

1.5 冲蚀率模型

根据已有文献[7]，材料的冲蚀率εm（单位：mg/g）与粒子撞击速度V、角度β和材料温度T常常存在如式（1）关系：

式（1）虽套用了微切削理论冲蚀率计算的基本模式，但增加了试验温度对冲蚀率的影响。这意味着对每种材料都需要确定自己的温度函数KT（T），粒子撞击角度函数Q（β）以及速度指数函数n（β）。从式（1）可以看出，对汽轮机的高压缸首级和中压缸第一级来说，其内部的温度场确定，固体颗粒的冲蚀特性主要取决于冲蚀角度函数以及撞击速度。因此，本文主要基于冲蚀角度和撞击速度等因素研究了固体颗粒的冲蚀特性。

2 计算结果及分析

本文对固体颗粒运动轨迹采用离散固体颗粒群轨迹模型，首先对某1 000 MW机组高压缸第一级静、动叶栅流动通道内的流场在设计工况下进行了数值研究。图3～5所示为不同尺寸固体颗粒在叶高中径截面处静、动叶栅流动通道内的蒸汽和固体颗粒速度分布图。从图中可以看出，不同尺寸固体颗粒对叶高通道中径截面上蒸汽和固体颗粒速度分布的影响完全可以忽略，蒸汽在流动通道内的运动完全由叶栅几何特性参数和其所处的边界条件所决定，而固体颗粒的运动轨迹受惯性作用力和汽流作用力的影响。即汽流进入流动通道内，在流向上压力逐渐降低，压力面与吸力面的压差进一步增加，在此横向压力梯度的作用下，蒸汽由压力面流向吸力面，而在惯性作用力影响下，较多的固体颗粒与静叶压力面中后部区域发生碰撞。碰撞后的固体颗粒在汽流力作用下，顺着汽流直接流出静叶通道，从静叶通道流出的固体颗粒首先撞击动叶前缘，反弹之后大部分固体颗粒撞击到动叶压力面中后部区域。从各不同尺寸固体颗粒速度分布图可以看出，固体颗粒在进入动叶通道前已经和前面静叶发生过多次不同程度的碰撞，导致动叶通道内的固体颗粒速度大幅降低 （由静叶通道最大约300 m/s降低至动叶通道最大约120 m/s），削弱了固体颗粒对动叶的冲蚀程度。

图3 叶高通道中径截面上蒸汽、固体颗粒的速度分布图（固体颗粒直径为15 μm）

图4 叶高通道中径截面上蒸汽、固体颗粒的速度分布图（固体颗粒直径为30 μm）

图5 叶高通道中径截面上蒸汽、固体颗粒的速度分布图（固体颗粒直径为45 μm）

前面介绍的冲蚀率模型表明固体颗粒撞击叶栅壁面的冲蚀率与固体颗粒的碰撞角β及碰撞速度有关。在500℃下，氧化铁粒子对12Cr冲蚀试验结果表明[8]，碰撞角为30°左右对固体材料冲蚀率达到最大值，如图6所示。因此高压缸首级叶栅的气动设计应使固体颗粒撞击角避开30°左右的高冲蚀率区，同时还应该尽量降低固体颗粒的撞击速度。因此为了说明所研究机组的抗冲蚀能力，有必要对设计工况下不种尺寸固体颗粒的运动轨迹特性进行相关的研究。图7所示为直径分别为15 μm、 30 μm 和 45 μm 的固体颗粒在高压缸第一级内运动轨迹的周向投影，由图可见，靠近压力面的固体颗粒撞击在靠近前缘的压力面区域，撞击角度较大；而靠近吸力面的撞击在吸力面的中尾部区域，且撞击角度较小；从静叶栅流出的固体颗粒首先撞击动叶前缘，反弹之后大部分固体颗粒撞击到动叶压力面中后部区域，之后反弹流出通道；固体颗粒直径越小，越容易受到汽流作用的影响，轨迹也越接近汽流方向，撞击位置越靠近尾缘；固体颗粒直径越大，固体颗粒越偏离汽流，撞击点位置也会有所前移，撞击角度呈增加的趋势。对于动叶而言，由于动叶压力面中后部区域的固体颗粒撞击速度不是很大，撞击角度也较小，因此该区域所受的冲蚀程度较轻。

图6 固体材料冲蚀率与碰撞角度的关系

图7 高压缸首级静、动叶通道内固体颗粒运动轨迹的周向投影

图8 高压缸首级静叶通道内固体颗粒的运动轨迹

图8为不同粒径固体颗粒在静叶通道内不同叶高位置处的运动轨迹。从图中可以看出，固体颗粒粒径越大，固体颗粒越偏离汽流，撞击点位置会大幅向前缘移动，显著减少撞击在静叶出口边表面上的固体颗粒数量。在所研究的粒径分布范围内，固体颗粒对压力面的叶根、叶顶撞击点位置存在滞后现象，这使得静叶压力面的叶根、叶顶处固体颗粒侵蚀率明显降低。

图9 不同直径固体颗粒撞击静叶压力面、吸力面的碰撞角分布云图

图9表示了不同直径固体颗粒撞击静叶压力面、吸力面的碰撞角分布。从图中可以看到，不同撞击点间的碰撞角分散度较大，大多数撞击点的撞击角度在 0°～15°之间，明显低于叶栅材料12Cr钢最大冲蚀率对应的角度范围，这表明，该机组高压缸首级叶型的选择合理，其抗冲蚀性能优异。从图中初步分析认为，撞击点处碰撞角的分布主要与粒子尺寸和叶栅几何特征参数有关。并随固体颗粒直径增加，固体颗粒运动越趋近于直线运动，撞击点位置会向前缘移动，撞击点的撞击角度都逐渐增大。对于同样尺寸的固体颗粒，固体颗粒与压力面、吸力面碰撞的规律相差较大。压力面上固体颗粒的碰撞角度明显大于吸力面上固体颗粒的碰撞角度，这表明固体颗粒对高压缸首级的冲蚀主要集中在静叶栅的压力面上；压力面与固体颗粒碰撞角的分布在流向方向上逐渐减小，吸力面与固体颗粒碰撞角的分布在流向方向上逐渐增加，且局部区域撞击点会出现较大的碰撞角。

已有研究表明[6]，喷涂了抗冲蚀涂层叶栅的抗冲蚀能力均比基材高很多。但在实际应用中，受叶栅结构和涂层工艺的限制，涂层本身虽能明显增加叶栅寿命，但涂层表面的粗糙度较基材高很多，其会对汽轮机运行的经济性带来影响。因此，研究涂层材料对汽轮机效率影响就显得尤为必要。由于所研究机组的高压缸首级采用了Cr2C3抗冲蚀涂层，其涂层的相对粗糙度约为5．38×10-5，明显高于基材的相对粗糙度。为了明确该涂层工艺对汽轮机叶片气动性能的影响，本文同时研究了相对粗糙物在 1．23×10-5～5．6×10-4范围内对其通流性能的影响。

图10对比了级相对总效率ηT0、相对静效率η0随相对粗糙度的变化关系，级总效率定义为式（2）， 静效率定义为式（3）。

其中H0T为级入口点的总焓值，H2T为排气总焓，H2为排气静焓，H2s为入口定熵膨胀到排气点的静焓值。

级总效率、静效率是反映叶栅级性能的一个重要参数，其中图10中的相对总效率、相对静效率均以叶片基材表面叶片级的总效率、静效率为基准进行了归一化处理。从图中可以看出，随着叶片表面粗糙度的增加，设计工况下该级的总效率和静效率均降低。就静效率值而言，与基材表面叶片相比，叶片损失随着表面相对粗糙度增大依次增大，当相对粗糙度为5．68×10-4时相对静效率下降0．23%。从图中也可以看到，级相对效率随表面相对粗糙度增加而降低的趋势逐渐变强，说明表面相对粗糙度的影响正逐渐变大。可以得出这样的结论：随着叶片表面相对粗糙度的增大，绕流叶栅的流动阻力增加，损失增大；相对总效率和相对静效率随叶片表面相对粗糙度的增加，二者的差值逐渐减小，分析认为：增大表面粗糙度虽然能在一定程度上起到抑制边界层分离的作用，但同时带来的动能损失更大，导致相对总效率和相对静效率逐渐接近。由此可以进一步看出，对于喷涂抗冲蚀涂层的透平叶片，其在设计工况条件下，抗冲蚀涂层的相对粗糙度对叶片气动性能影响不大。

图10 级相对效率随相对粗糙度的变化关系

3 结论

（1）尺寸 15～45 μm 的固体颗粒在所研究机组高压缸首级通道内运动时，大部分固体颗粒会撞击在静叶压力面上。固体颗粒在静叶压力面中后部区域的撞击速度明显高于动叶区域的撞击速度，固体颗粒直径越大，发生碰撞时的角度越大。

（2）固体颗粒在静叶压力面、吸力面撞击点的撞击角度在0°～15°，明显低于12Cr材料的高冲蚀率区域，这表明该机组高压缸首级叶型的选择合理，其抗冲蚀性能优异。

（3）固体颗粒对静叶压力面的叶根、叶顶撞击点位置存在滞后现象，这使得静叶压力面的叶根、叶顶处固体颗粒侵蚀率明显降低。

（4）Cr2C3抗冲蚀涂层的相对粗糙度对叶片气动性能影响不大。

[1]Tabakoff W,Hamed A.Effect of particle size distribution on particle dynamics and blade erosion in axial flow turbines[J].Journal of Engineering for Gas Turbines and Power,1991,113:607-615.

[2]戴丽萍,俞茂铮,王贤钢.超临界汽轮机调节级喷嘴固体颗粒冲蚀特性的预测与抗冲蚀方法[J].汽轮机技术,2002,44(6):329-332.

[3]Dai L,Yu M,Dai Y.Nozzle passage aerodynamic design to reduce solid particle erosion of a supercritical steam turbine control stage[J].Wear,2007,262(1):104-111.

[4]Campos-Amezcua A,Gallegos-Munoz A,Romero C A,et al.Numerical investigation of the solid particle erosion rate in a steam turbine nozzle[J].Applied thermal engineering,2007,27(14-15):2394-2403.

[5]刘志江,李续军,刘向民.超临界压力汽轮机固体颗粒侵蚀的表面硬化处理技术[J].中国电力,2004,37(2):25-28.

[6]王为民,潘家成.东方-日立型超超临界1 000 MW汽轮机可靠性设计[J].热力透平,2006,35(1):8-14.

[7]Misra A,Finnie I.A Review of the abrasive wear of metals[J].Journal of Engineering Materials and Technology-Transactions of the ASME,1982,104(2):94-101.

[8]Kawagishi H,Kawassaki S,Ikeda K.Protective design and boride coating against solid particle erosion of first-stage turbine nozzles[J].ASME Power Division,1990,10:23-29.

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

钟主海 （1985-），男，硕士，2012年毕业于西安交通大学热能工程专业，现主要从事汽轮机的设计研发工作。