一種超疏水空心除溼靜葉的製作方法

2023-10-12 00:11:44 2

專利名稱：一種超疏水空心除溼靜葉的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種超疏水空心除溼靜葉，屬於汽輪機技術領域。
背景技術：
我國電力的70%來自熱力發電，其中大多數以汽輪機為原動機。靜葉片是固定在隔板 上靜止不動的葉片，由兩個相鄰葉片構成不動汽道，是把蒸汽的熱能轉變成動能的結構元 件。在靜葉柵中蒸汽的壓力和溫度下降，流速增加。動葉片又將動能轉變為機械能帶動發 電機轉子轉動。當過熱蒸汽來到末級葉片時，部分蒸汽會冷凝形成溼蒸汽。汽輪機內溼蒸汽所引 起的水蝕問題不僅會侵蝕損壞葉片，而且會使整個機組的效率下降。目前運用較為廣泛的 汽輪機內部除溼技術是利用通流部分的壓差或水滴的慣性力，將水份引入壓力較低的區域 並將其排除。內部除溼裝置的結構形式主要有以下幾種
(1)將靜葉做成空心葉片，在吸力面和壓力面上開槽，利用除溼槽內外壓差把葉片表面 的水膜或水流由空心腔室抽出沿隔板徑向外側引向凝汽器。(2)在動、靜葉後設置除溼槽和捕水腔室，收集由於離心力而飛向外緣的水份。(3)在隔板靜葉通道的外端壁開設除溼槽，利用葉道與隔板外部空心腔室的壓差 將端壁表面的水膜或水流，然後在排除至低壓區域。以上各種方法的除溼效率基本上徘徊在10%左右，遠不能滿足防止大型機組除溼 防蝕的需要。

發明內容
本發明所要解決的問題是提供一種超疏水空心靜葉，該新型靜葉可利用超疏水微納米 功能結構，控制納米級液滴團簇的大小和規模，維持蒸汽在跨過飽和線以後的亞穩態流動， 防止大水滴和水膜的形成，從根本上消除導致水蝕的危險因子，減小水蝕產生的危害。這種 除溼靜葉的除溼防蝕效果優異，不改變汽輪機現有除溼裝置結構，可以廣泛地應用於火力 發電廠的超(超)臨界汽輪機組、核電機組與艦載汽輪機中。本發明所採用的技術方案是
一種超疏水空心除溼靜葉，在空心靜葉表面布置超疏水微納米結構；所述超疏水結構 在空心靜葉表面的布置位置，包括靜葉表面水滴沉積與水膜生成部位以及靜葉吸力面和壓 力面上水膜易撕裂、破碎的位置。更具體的方案是
所述靜葉表面水滴沉積與水膜生成部位，為吸力面0 0. 25相對葉寬之間，壓力面 0 0.8相對葉寬之間。所述靜葉吸力面和壓力面上水膜易撕裂、破碎的位置，為吸力面背弧弧頂0. 3 0. 5相對葉寬之間，吸力面與壓力面尾緣0. 8 1. 0相對葉寬之間。所述超疏水微納米結構，室溫常壓下，和水的表面接觸角(CA)大於150°，滾動角 (SA)為 2。 10°。本發明所涉及的靜葉表面的超疏水微納米結構的製備，可以採用已知的各種常規的微納米結構的製備方法，包括以下方法 1. 化學刻蝕法
利用金屬中缺陷優先腐蝕的性質，用蝕刻劑腐蝕Zn、Cu和Al等多晶型金屬，當金屬中 的位錯暴露在酸性刻蝕劑中時，位錯的起始點形成了凹坑。刻蝕後的鋅表面形成了寬5 15 μ m的小丘及平行分布的納米凹槽結構；而刻蝕後的銅表面形成了彈坑狀凹坑及分散的 納米粒狀結構。這些結構經低表面能物質疏水處理後，CA>150°，SA<10°。或使用氫氧化鈉溶液腐蝕鋁和鋁合金的表面，得到了孔徑為300 600 nm、壁厚 為0.8 Ιμπι的鋁多孔表面以及直徑為10 15μπκ島狀結構的鋁合金表面，分別用氟烷 或乙烯基有機矽疏水修飾後，也得到金屬基底的超疏水表面。或者用鹽酸刻蝕鋁合金，刻 蝕後鋁合金表面由長方體狀的凸臺和凹坑構成了深淺相間的「迷宮」結構，經氟化處理後， CA ^ 156° , SA ^ 5°。2. 複合塗層法
利用聚四氟乙烯和聚苯硫醚複合聚合物，採用一步成膜法在鋁、銅、鋼等金屬材料表面 構築出了同時具備低表面能疏水基團及多孔網狀微一納米結構的超疏水塗層，其孔壁厚為 10 40 μ m,孔徑為5 20 μ m。該塗層具有優異的超疏水性能，CA 165°，SA 4°，具 有良好的耐酸鹼介質性能、耐高低溫及長期穩定性能。3. 可控氧化法
在純銅表面通過控制氧化過程製備出花朵狀CuO膜，每朵納米花由數十個長約2 μ m、 寬約120 nm、厚約12 nm的CuO納米片自組裝而成，經氟矽烷修飾後，獲得靜態接觸角為 158°的超疏水表面。4. 浸泡法
將銅板浸入十四烷基酸中反應，銅表面形成一層微納米複合結構的銅脂肪酸鹽。在浸 泡過程中，銅表面先形成零星小的納米片和簇。隨著時間的延長，納米片和簇逐漸長大，密 度增加，最後形成一種穩定的薄膜覆蓋整個表面，由這些聚集體緊密堆積而成的銅表面的 CA ^ 160° , SA ^ 2°。本發明的超疏水空心葉片，可以應用於火力發電廠的超(超)臨界汽輪機組、核電 機組與艦載汽輪機中。具有以下有益效果
1.該發明利用超疏水表面的完全液相不浸潤特性防止過飽和蒸汽析出的納米
液滴在靜葉表面沉積形成水膜和大水滴，從根本上減少靜葉尾緣大水滴的形成，進而降低 大水滴進入動葉時所引起的水蝕危害。2. 該發明在不改變現有汽輪機結構的前提下，使除溼防蝕效率顯著提高。


圖1實施例1製備的超疏水銅表面的SEM。圖2實施例1水滴沉積7分鐘後，超疏水表面和銅表面的液滴沉積情況對比。圖3實施例1水滴沉積12分鐘後，超疏水表面和銅表面的液滴沉積情況對比。圖4實施例1水滴在超疏水表面和銅表面上的接觸角對比。圖5靜葉表面水滴沉積量百分比。圖 6 沉 積 水 滴 直 徑 d = 1 . 4
4時，在葉片表面分布。圖7沉積水滴直徑d=2. 4 ^en時，在葉片表面分布。
具體實施例方式本發明公開一種超疏水空心靜葉，在空心靜葉表面布置超疏水微納米結構；所述 超疏水結構在空心靜葉表面的布置位置，包括靜葉表面水滴沉積與水膜生成部位以及靜葉 吸力面和壓力面上水膜易撕裂、破碎的位置。所述靜葉表面水滴沉積與水膜生成部位，為吸力面0 0. 25相對葉寬之間，壓力 面0 0.8相對葉寬之間。所述靜葉吸力面和壓力面上水膜易撕裂、破碎的位置，為吸力面0. 3 0. 5相對葉 寬之間，吸力面與壓力面0. 8 1. 0相對葉寬之間。所述超疏水微納米結構，表面接觸角(CA)大於150°，滾動角(SA)為2° 10°。所述的超疏水微納米結構可以使用已知的各種技術來製備。下面通過實施例，進一步闡明本發明，僅在於說明本發明而決不限制本發明。實施例1
取銅板試樣，將其浸入η-十四烷基酸的乙醇溶液中。室溫下放置3天後，將浸入溶液 的銅板試樣取出，用去離子水和乙醇進行徹底清洗，並將銅板試樣置於空氣陰乾。實驗觀測 製備完成的超疏水表面接觸角在156° 163°之間，滾動角在2° 5°。超疏水銅表面的 形貌如圖1所示。以打磨後光滑銅表面(接觸角約70° )和製備完成的超疏水表面分別為 實驗待測對象，在小型風洞內進行超疏水表面水滴沉積實驗。風洞截面積為120mmX 120mm, 風洞上遊生成含有微小水滴的射流(溼度為0. 00ΡΓΟ. 0013 %)，以2. 56 m/s風速吹向實驗 待測表面。實驗待測表面(面積為25 mmX25 mm)被放置於風洞中央，並與垂直迎風面夾角 為45°。7分鐘後，超疏水表面和銅表面的液滴沉積情況如圖2所示，12分鐘實驗結果如 圖3所示，水滴在不同表面上的接觸角如圖4所示，其中上方為超疏水表面，下方為銅表面。 經60 min水滴沉積實驗後，光滑銅表面的水膜最大面積約為80mm2，水滴初次滑落時間為實 驗後約25 min ；超疏水表面的水滴最大尺寸3 mm，水滴初次滑落時間為實驗後約16 min。實驗結果顯示在光滑銅表面，微小水滴不斷生長形成較大尺寸的水滴，進而匯聚 形成水膜；而在超疏水表面，微小水滴只形成了細小顆粒的水珠，未形成水膜，且水滴在超 疏水表面駐留的時間明顯縮短。這說明超疏水納米結構所具有的完全液相不浸潤特性，可 以明顯減少微小水滴在表面的沉積、生長和駐留。
實施例2
通過溼蒸汽模型UDF函數與水滴沉積離散相模型，對某型汽輪機末級靜葉柵內部溼 蒸汽流動與水滴沉積情況進行數值模擬計算。該型末級靜葉弦長為215mm，噴嘴出口角為 30. 3°，葉片節距為135mm。進口總壓平均值為18793. 76Pa ；進口總溫330. 96K ；靜葉柵出 口背壓平均值11924. 83Pa ；空心靜葉葉片內腔室出口的壓力為92001 ；溼蒸汽進口溼度為 0. 0794，出口溼度為0. 083。進口水滴粒徑分布參照試驗結果設置，水滴的平均直徑為23. 21 m直徑分布在1. 5 150 之間，其中約95 %的水滴直徑小於100 _。計算結果顯示葉片表面總沉積量佔進口水滴總量的63. 58% ；吸力面總沉積量佔進口水滴總量的8. 89%，壓力面總沉積量佔進口水滴總量的54. 66%，水滴沉積量百分比如 圖5所示，其中橫坐標為進口水滴直徑，縱坐標為靜葉表面沉積水量佔靜葉入口總水量的 比例。 沉積水滴直徑d=l. 4 時，在葉片表面分布如圖6所示，沉積水滴直徑d=2. 4 _ 時，在葉片表面分布如圖7所示其中，橫坐標正方向為壓力面相對葉寬，負方向為吸力面 相對葉寬。縱坐標為水滴表面沉積率(即靜葉表面不同位置沉積水量佔靜葉表面總沉積量 的比例)。由該計算結果顯示小直徑水滴在靜葉表面主要的沉積位置為吸力面0 0. 25 相對葉寬之間，壓力面0 0. 9相對葉寬之間。現有空心除溼靜葉除溼槽的開設位置一般 為吸力面相對葉寬0. 25處，壓力面相對葉寬0. 8處。
權利要求
1.一種超疏水空心除溼靜葉，其特徵是在空心靜葉表面布置超疏水微納米結構；所 述超疏水微納米結構在空心靜葉表面的布置位置，包括靜葉表面水滴沉積與水膜生成部位 以及靜葉吸力面和壓力面上水膜易撕裂、破碎的位置。
2.如權利要求1所述的超疏水空心除溼靜葉，其特徵是所述靜葉表面水滴沉積與水 膜生成部位，為吸力面0 0. 25相對葉寬之間，壓力面0 0. 8相對葉寬之間。
3.如權利要求1或2所述的超疏水空心除溼靜葉，其特徵是所述靜葉吸力面和壓力 面上水膜易撕裂、破碎的位置，為吸力面背弧弧頂0. 3 0. 5相對葉寬之間，吸力面與壓力 面尾緣0. 8 1. 0相對葉寬之間。
4.根據權利要求1或2所述的超疏水空心除溼靜葉，其特徵是所述超疏水微納米結 構，室溫常壓下和水的表面接觸角為150° 180°，滾動角為2° 10°。
全文摘要
本發明涉及一種超疏水空心靜葉，在空心靜葉表面布置超疏水微納米結構；所述超疏水微納米結構在空心靜葉表面的布置位置，包括靜葉表面水滴沉積與水膜生成部位以及靜葉吸力面和壓力面上水膜易撕裂、破碎的位置。所述微納米超疏水結構，其表面接觸角大於150°。本發明利用微納米結構，控制納米級液滴團簇的大小和規模，維持蒸汽在跨過飽和線以後的亞穩態流動，防止大水滴和水膜的形成，從根本上減小水蝕的產生。本發明結構簡單，能廣泛應用於火力發電廠或核電站中的大型汽輪發電機組，在不改變機組結構的基礎上，可大幅度提高空心除溼靜葉的除溼效率，完全滿足大型汽輪發電機組安全、高效生產的需要。
文檔編號F01D9/02GK102128060SQ20111010823
公開日2011年7月20日 申請日期2011年4月28日 優先權日2011年4月28日
發明者侯佑民, 秦漢時, 胡雪蛟, 謝誕梅 申請人:武漢大學