典型氣輪機(jī)葉片熱態(tài)沖蝕特性綜合實(shí)驗(yàn)研究

張 瑞，張 浩，魯嘉華

(上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 201620)

典型氣輪機(jī)葉片熱態(tài)沖蝕特性綜合實(shí)驗(yàn)研究

張 瑞，張 浩，魯嘉華

(上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 201620)

氣輪機(jī)運(yùn)行過程中, 高溫含塵氣體會(huì)對(duì)氣輪機(jī)葉片表面產(chǎn)生不可避免的沖蝕與磨損，不僅破壞氣動(dòng)性能，嚴(yán)重時(shí)還可能使構(gòu)件及設(shè)備失效，導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)性和可靠性均下降。在自行研制的氣固兩相熱態(tài)沖蝕實(shí)驗(yàn)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，通過對(duì)比基材鋼(1Cr12Mo、X20Cr13、2Cr12NiMo1W1V、GH738)在不同溫度、不同沖角和不同粒徑石英砂顆粒沖蝕下的沖蝕率變化，在本實(shí)驗(yàn)條件下，得出以下結(jié)果：200～300 ℃時(shí)，1Cr12Mo相對(duì)于其他3種基材，抗沖蝕性最好，400 ℃時(shí)2Cr12NiMo1W1V與GH738相對(duì)其他2種基材抗沖蝕性較好，而500 ℃時(shí)，從整體來看2Cr12NiMo1W1V比GH738抗沖蝕性好。

氣輪機(jī)；葉片；基材鋼；氣固兩相；熱態(tài)沖蝕；

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和能源消耗持續(xù)上升，節(jié)能與環(huán)保要求不斷提高。高爐煤氣余壓氣輪機(jī)發(fā)電裝置是公認(rèn)的二次能源回收裝置，廣泛應(yīng)用于能源、冶金、石油、化工、航空等現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域。它利用高爐爐頂?shù)拿簹饩哂械膲毫δ芎蜔崮埽ㄟ^氣輪機(jī)機(jī)膨脹做功將他們轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，從而驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，即回收能源又降低NOx排放危害。但是，長(zhǎng)期運(yùn)行后含塵氣體會(huì)對(duì)氣輪機(jī)葉片的沖蝕其線型，增大表面粗糙度和間隙，使氣輪機(jī)效率明顯降低，強(qiáng)迫停機(jī)率上升，停機(jī)檢修時(shí)間延長(zhǎng)，嚴(yán)重時(shí)威脅葉片的強(qiáng)度安全，引發(fā)危險(xiǎn)事故。據(jù)文獻(xiàn)[1]調(diào)查，固體顆粒沖蝕每年對(duì)美國(guó)電力行業(yè)造成高達(dá)2億美元的損失。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)氣輪機(jī)葉片沖蝕特性實(shí)驗(yàn)尤其是熱態(tài)沖蝕風(fēng)洞研究尚不多見[2-4]。因此，研究多重條件下顆粒的沖蝕特性，是著眼材料科學(xué)和表面工藝持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)應(yīng)用研究，對(duì)提升高爐煤氣余壓氣輪機(jī)發(fā)電裝置經(jīng)濟(jì)效益以及安全性能具有非?，F(xiàn)實(shí)的意義。

1 實(shí)驗(yàn)裝置構(gòu)成

實(shí)驗(yàn)均在以組態(tài)軟件[5-10]為開發(fā)平臺(tái)的熱態(tài)負(fù)壓沖蝕實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)(Monitor and Control Generated，MCGS)中進(jìn)行，系統(tǒng)設(shè)計(jì)成開環(huán)系統(tǒng)，如圖1所示，由電加熱器、穩(wěn)定段、實(shí)驗(yàn)段、熱交換器、除塵器和引風(fēng)機(jī)構(gòu)成。風(fēng)洞系統(tǒng)采用負(fù)壓，避免高溫氣體外泄，實(shí)驗(yàn)顆粒能很好地進(jìn)入管道與氣流混合，有效提高氣固兩相混合的穩(wěn)定性。

高溫氣體由電加熱器對(duì)氣流加熱產(chǎn)生，由自控裝置控制溫度，升降溫速率快、效率高、機(jī)械性好、安全性高、空氣潔凈無污染。實(shí)驗(yàn)中采用星形給料機(jī)由均速轉(zhuǎn)動(dòng)的帶有凹坑轉(zhuǎn)軸攜顆粒進(jìn)入風(fēng)道內(nèi)，氣密性好，顆粒由自重和引風(fēng)負(fù)壓共同作用，均勻進(jìn)入風(fēng)洞與氣流混合。為更好地調(diào)節(jié)試件的角度，系統(tǒng)采用專門的卡盤實(shí)現(xiàn)對(duì)葉片360°無級(jí)沖角調(diào)節(jié)。

2 實(shí)驗(yàn)方案與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)材料的選擇

本實(shí)驗(yàn)研究所用材料分別為：1Cr12Mo、X20Cr13、2Cr12NiMo1W1V、GH738合金，其中材料牌號(hào)及部分物理性能參數(shù)見表1。由表2可見，據(jù)Virginia 西部金斯頓煤礦煤飛灰的成分分析，SiO2是最主要的成分。為了使實(shí)驗(yàn)受到的沖蝕更接近于實(shí)際工況，故本實(shí)驗(yàn)選用石英砂顆粒。

表1 實(shí)驗(yàn)材料主要參數(shù)Table 1 Main parameters of the experimental material

圖1 沖蝕實(shí)驗(yàn)風(fēng)洞系統(tǒng)示意簡(jiǎn)圖

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

首先將材料裁成規(guī)格為15 mm×15 mm×2 mm的試件，置試件于特定夾具放入可調(diào)沖角的實(shí)驗(yàn)座內(nèi)，以逼近表征葉片的曲面變化。本實(shí)驗(yàn)中顆粒沖擊速率設(shè)定約為82 m/s，由于短時(shí)間沖蝕引起試件質(zhì)量變化很小，為提高實(shí)驗(yàn)精度，選用精度0.01 mg天平，記沖蝕前、后試件質(zhì)量分別為，則實(shí)驗(yàn)中試件的失重記為。稱重前后須進(jìn)行冷卻、洗凈、烘干，為減小測(cè)量的誤差，每次實(shí)驗(yàn)稱重記錄3次后取均值，每片試件在每個(gè)沖角下累積做6次相同工況下的實(shí)驗(yàn)。

2.3 沖蝕率的計(jì)算:

試件的失重：

當(dāng)量失重：

定義沖蝕率為：

式中：α是沖角，Y為試件單位面積失重，M為沖蝕顆粒的質(zhì)量。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 沖角對(duì)沖蝕率的影響

為了屏蔽試件受沖蝕面積對(duì)沖蝕率的影響，圖表中所有縱軸的試件質(zhì)量失重都換算成了單位面積當(dāng)量失重。圖2為不同材料在不同溫度下的沖蝕特性曲線。由圖可見，沖蝕率的最大值出現(xiàn)在10°～35°之間，最小值出現(xiàn)在80°～90°之間。發(fā)生這種現(xiàn)象的主因是石英砂顆粒外貌為棱體，小沖角下，石英砂顆粒鏟削、犁削造成材料失重，大沖角時(shí)，由于金屬的塑性特質(zhì)，沖擊鍛打不容易裂紋或碎屑，所以失重較小。

圖2 不同材料各溫度下沖蝕特性曲線Fig.2 Erosion characteristics curves of different substrates of at different temperature

3.2 溫度對(duì)沖蝕率的影響

由圖2可見：溫度對(duì)材料沖蝕率的影響比較復(fù)雜，很難用簡(jiǎn)單的規(guī)律加以概括：有的隨溫度的升高而升高，有的隨溫度的升高先升高后降低，與文獻(xiàn)[11]的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象非常相似，規(guī)律性的結(jié)論需要更加廣泛實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步歸納總結(jié)?？梢钥吹?，在400～500 ℃時(shí)，2Cr12NiMo1W1V和GH738材質(zhì)在70°、80°、90°的沖角下，沖蝕率呈現(xiàn)負(fù)值。通過SEM觀察，發(fā)現(xiàn)2Cr12NiMo1W1V和GH738在70°、80°、90°沖角下沖蝕、洗凈后，表面有白色顆粒殘留物。所以沖蝕率呈現(xiàn)負(fù)值的原因是在沖蝕過程中，試件表面材料會(huì)有入射粒子的嵌入，使嵌入粒子的重量大于材料的失重量，發(fā)生這種情況可能與材料本身的物理性質(zhì)有關(guān)。文獻(xiàn)[12]也曾對(duì)類似的現(xiàn)象進(jìn)行過相關(guān)的分析：葉片在受到粉塵高角度沖蝕時(shí)，會(huì)形成微小的蝕坑，陷入的粉塵不易沖去。因材質(zhì)GH738、X20Cr13受最高溫度限制，實(shí)驗(yàn)只能在允許溫度下進(jìn)行并比較。

3.3 實(shí)驗(yàn)材料對(duì)沖蝕率的影響

圖3為不同溫度下4種材料的沖蝕特性曲線。由圖可見，2Cr12NiMo1W1V沖蝕率要明顯大于X20Cr13、1Cr12Mo且1Cr12Mo沖蝕率略低于X20Cr13，所以200 ℃時(shí)1Cr12Mo抗沖蝕性較好。300 ℃時(shí)，低沖角下(10°～50°)GH738材料的沖蝕率要明顯大于其他3種材料，1Cr12Mo的沖蝕率則相對(duì)于其他3種材料較小。而高沖角下(60°～90°)，4種材料的沖蝕率非常接近，所以總的來說300 ℃時(shí)，1Cr12Mo抗沖蝕性較好。400 ℃時(shí)，1Cr12Mo、X20Cr13的沖蝕率明顯大于GH738、2Cr12NiMo1W1V，GH738、2Cr12NiMo1W1V兩種材料的沖蝕率非常接近。500 ℃時(shí),由于超過了1Cr12Mo、X20Cr13的溫度上限，所以只比較了2種材料沖蝕率的關(guān)系。10°～40°GH738沖蝕率明顯大于2Cr12NiMo1W1V，50°～90°兩種材料的沖蝕率很接近，所以總體來說GH738的沖蝕率大于2Cr12NiMo1W1V。由此可見，隨著溫度的變化，抗沖蝕性最好的材質(zhì)也在變化，這與材料本身的性質(zhì)有關(guān)，所以在某一溫度下，如何選擇最合適的材料，還需大量的實(shí)驗(yàn)來研究。

圖3 不同溫度下4種材料沖蝕特性曲線對(duì)比Fig.3 Comparison of the erosion rates of four substrates at different temperatures

4 結(jié)束語

1)溫度對(duì)材料沖蝕率的影響比較復(fù)雜：有的隨溫度的升高而升高，有的隨溫度的升高先升高后降低，規(guī)律性的結(jié)論需要更加廣泛實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步歸納總結(jié)。

2)200～300 ℃時(shí),1Cr12Mo合金相對(duì)于其他3種基材，抗沖蝕性最好，400 ℃時(shí)2Cr12NiMo1W1V與GH738合金相對(duì)其他兩種材料抗沖蝕性較好，而500 ℃時(shí)，從整體來看2Cr12NiMo1W1V比GH738抗沖蝕性好。隨著溫度的變化，抗沖蝕性最好的材料也在變化，這與材料本身的性質(zhì)有關(guān)。

3)在本實(shí)驗(yàn)條件范圍內(nèi)，材料沖蝕率與沖蝕角度有一定關(guān)系，沖蝕率的最大值出現(xiàn)在10°～35°之間，最小值出現(xiàn)在80°～90°之間。

[1] Eyre T S. Treatise on materials science and technology[J]. Journal of Applied Mechanics,1979,13(8):33-38.

[2] Tabakoff W, Hamed A, Beacher B. Investigation of gas particle flow in an erosion wind tunnel[J]. Wear,1983,86(1):73-88.

[3] Hamed A. An investigation in the variance in particle surface interactions and their effects in gas turbines[J]. Journal of Engineering for Gas Turbines amp; Power,1991,114(2):235-241

[4] 伊景海,馬才芬,郝慶,等. 氣固兩相沖動(dòng)式平面葉柵表面壓力分布的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 工程熱物理學(xué)報(bào),1993,14(2):159-162.

[5] 萬勇,鄭金吾,萬莉. 基于MCGS的井控裝置試壓監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置,2011,40(6):42-48.

[6] 楊茜,周華安,孟志強(qiáng),等. 基于MCGS組態(tài)的艾奇遜爐功率自動(dòng)控制系統(tǒng)[J]. 控制工程,2016,23(7):1006-1011.

[7] 李訓(xùn)杰. MCGS組態(tài)軟件在供水自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 工業(yè)控制計(jì)算機(jī),2005,18(2):51-68.

[8] 郭東平,趙媛. 基于MCGS組態(tài)技術(shù)的溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 電氣自動(dòng)化,2016,38(4):97-99.

[9] 馬兵智,孫志毅,趙志誠(chéng),等．組態(tài)軟件 MCGS 在鍋爐液位控制中的應(yīng)用[J]. 控制工程,2002,12(1):84-86．

[10] 包建華,丁啟勝,張興奎. 工控組態(tài)軟件 MCGS 及其應(yīng)用[J]. 工礦自動(dòng)化,2007,34(3):92-94.

[11] 魯嘉華,凌志光,張志英. 帶粒燃?xì)鉁u輪中顆粒隨機(jī)軌道模型的簡(jiǎn)化與分析[J]. 內(nèi)燃機(jī)工程,2005,26(3):77-81.

[12] 朱鈺如,高余良. 煙氣渦輪機(jī)動(dòng)葉片沖蝕分析[J]. 上海交通大學(xué)學(xué)報(bào),1985(3):50-59.

ComprehensiveExperimentalStudyonThermalErosionCharacteristicsofTypicalGasTurbineBlades

ZHANG Rui，ZHANG Hao，LU Jia-hua

(CollegeofMechanicalEngineering,ShanghaiUniversityofEngineeringScience,Shanghai201620,China)

During the operation of gas turbines, erosion and wear were induced by high temperature dusty gas inevitably on the surface of the turbine blades, which damages the aerodynamic performance and may even result in the failure of the components and equipment, leading to the decrease of the economy and reliability. Under the experimental conditions, the following results were obtained by comparing erosion rate change of the base steels(1Cr12Mo, X20Cr13, 2Cr12NiMo1W1V, and GH738) under different temperature, different attack angle, and different particle size of quartz sand grains: the corrosion resistance of 1Cr12Mo is better than that of the other three substrates at 200～300 ℃. The erosion resistance of 2Cr12NiMo1W1V and GH738 is better at 400 ℃ compared with the other two. Moreover, the erosion resistance of 2Cr12NiMo1W1V is better than that of GH738 at 500 ℃.

steam turbine；blade; base steels；gas-solid two-phase；thermal erosion

2017年5月13日

2017年9月6日

上海市教委085工程項(xiàng)目(JR0901)

張瑞(1992年-)，男，碩士，主要從事為透平熱態(tài)平動(dòng)等方面的研究。

TK472

A

10.3969/j.issn.1673-6214.2017.05.005

1673-6214(2017)05-0290-04