[發明專利]一種汽輪機葉片材料抗水蝕性能測試及評價方法

有效

• 申請號: 201911183810.4
• 申請日: 2019-11-27
• 公開（公告）號: CN110926988B
• 公開（公告）日: 2021-01-29
• 發明（設計）人: 謝永慧;張哲源;張荻
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G01N3/56
• 分類號: G01N3/56
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 閔岳峰

本發明公開了一種汽輪機葉片材料抗水蝕性能測試及評價方法，首先采集特定汽輪機葉實際運行條件參數，采用數值模擬方法計算得到葉片表面不同位置不同時刻的水蝕工況參數；基于數值計算結果確定水蝕特性加速測試方案，通過材料失重數據采集、材料局部缺陷顯微觀察和水蝕試樣力學性能測試，獲得材料水蝕特性曲線、水蝕缺陷尺寸擴展規律及材料性能變化規律，若水蝕特性曲線不滿足要求，則需要調整方案重復實驗；之后通過定量分析方法，計算得到材料水蝕特性系數并對材料失效過程中的不同水蝕階段進行定量劃分；最后，以特定汽輪機葉片常用材料測試結果作為基準，對待測材料的水蝕性能系數進行無量綱化，從而為汽輪機葉片設計與選材提供技術支撐。

技術領域

本發明屬于實驗測試技術領域，尤其是一種汽輪機葉片材料抗水蝕性能測試及評價方法。

背景技術

21世紀初，超超臨界發電技術被確定為我國潔凈煤技術領域戰略性的關鍵技術，經過十余年的公關研發與應用，我國的超超臨界發電技術已快速達到世界先進水平。目前，超臨界、超超臨界火電汽輪機和百萬等級的核電汽輪機仍是我國主要的發電機組。在全球經濟的高速發展和電能需求的日益增加的大背景下，汽輪機作為電廠發電主力，其熱經濟性必須盡可能提高，而隨著汽輪機單機功率的增加，采用更長的末級葉片則是提高汽輪機效率的必然手段。更高的圓周速度必然導致更大的液滴相對撞擊速度，從而對葉片的振動特性與機組的安全運行造成更大的威脅。隨著大功率汽輪機的發展，末級葉片水蝕防護方法的研究受到了國內外電力工作人員的廣泛重視。目前，末級葉片的水蝕仍然是影響大機組運行熱經濟性和安全可靠性的首要問題之一。因此研究材料抗水蝕性能影響因素及其變化規律，對提出有效的葉片防水蝕措施和設計研發新型葉片都具有十分重要的工程應用價值。

汽輪機末級葉片在濕蒸汽區工作，排氣濕度高達12％～14％。當蒸汽在葉柵中膨脹越過飽和線到達Wilson線時，會出現0.01μm～1μm直徑的微小水滴，然后逐漸凝聚長大。水滴中的大部分隨蒸汽流一起通過葉柵，只有不到10％附著在靜葉表面上形成水膜，被蒸汽推向靜葉出口邊。當水膜發展到一定厚度時，受蒸汽剪切力撕裂為直徑20μm～200μm的大水滴，由于水滴的慣性較大，其絕對速度遠小于汽流速度，使得水滴以很大的相對速度撞擊動葉進汽邊背弧側，從而直接導致了汽輪機葉片的水蝕現象。

汽輪機葉片水蝕過程涉及多種現象耦合作用，其中包括激波擴展、介質相變、空穴現象以及疲勞失效，采用數值計算和理論推導很難對材料水蝕過程進行精確描述，進而對材料水蝕壽命進行準確評估；另一方面，很多國內外學者采用了實驗方法對材料的抗水蝕性能進行研究，但由于實驗系統及測試方法的差異，不同平臺得到的實驗數據很難進行對比分析，這就對材料水蝕過程的系統性研究帶來了極大的困難。汽輪機長葉片，作為動力設備的關鍵部件，一旦產生水蝕現象，輕則破壞葉片型線，造成級效率降低，重則會使得葉片斷裂，進而導致整機停運。因此，提出一套基于現有實驗系統且有效可行的材料抗水蝕性能測試及評估方法是相當必要的。雖然美國材料與實驗協會(ASTM)在2010年提出了一套“液體沖擊腐蝕測試規程”(G73)，其中涵蓋了大部分循環離散液滴及射流對固體材料水蝕實驗的注意事項，但并未對具體實驗步驟及數據處理方法進行限定，同時其中有些描述并不適用于汽輪機葉片材料的水蝕實驗側料，這就給實驗人員的操作以及不同實驗結果的評估帶來了極大的困難。

發明內容

本發明的目的在于克服上述現有技術的缺點，提供了一種汽輪機葉片材料抗水蝕性能測試及評價方法，具體給出了一套標準化材料抗水蝕性能測試步驟及數據分析方法，可對材料的水蝕特性進行加速實驗測試，將原本上萬小時的葉片水蝕過程縮短為幾十分鐘，極大節約金錢和時間成本，同時可對材料水蝕特性進行定量化分析，對其抗水蝕能力進行綜合評估。

本發明采用如下技術方案來實現的：

一種汽輪機葉片材料抗水蝕性能測試及評價方法，包括以下步驟：