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造船门式起重机报价系统研究及开发

  • 发布日期:2017-04-02
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第一章 绪 论
 
1.1 课题研究背景
固体颗粒冲蚀(Solid Particle Erosion—SPE)是指固体以松散的小颗粒(直径小于 1000um)按一定的速度和角度对材料表面进行冲击所造成的一种材料损耗现象或过程现象。普遍存在于电力、机械、钢铁、航空、化工等行业,已成为材料破坏或设备失效的重要原因之一[1-3]。石油化工厂烟气余热余压能量回收透平发电设备中,烟气中携带的催化剂粉粒会对涡轮叶片造成严重冲蚀,大幅缩短设备的使用寿命。高炉煤气余压透平发电装置,气固两相流体在进入透平之前会进行多次气固分离处理,仍会携带一定量的微小颗粒物。在这些设备中,微小固体颗粒持续对叶片的冲蚀磨损,会损坏叶片表面,降低叶片的气动性能,减少能源回收系统产生的经济效益。冲蚀磨损还会恶化透平叶片的振动特性,振动特性持续恶化将危及机组的安全性。相关研究指出大型汽轮机流动死角区域通常会存在金属氧化物颗粒堆积的现象。这些金属氧化物会随蒸汽流入汽轮机,对设备长期冲蚀作用会使叶片、喷嘴的型线遭到破坏,表面粗糙度和间隙增大,使汽轮机能量转化效率显著降低。氧化物颗粒冲蚀损伤问题无法避免,严重影响汽轮发电机组安全经济运行。一些文献对大型汽轮机组因冲蚀损伤所增加的初始投资给出了定量判断:对一般情况下的固体颗粒冲蚀,每千瓦投资需增加 1 美元;对严重的固体颗粒冲蚀,每千瓦投资要增加 3.40 美元[4]。
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1.2 课题研究意义
在能源、冶金、石油、化工等工业领域中,工业过程中产生的含尘高温高压气体具有能量再利用的巨大潜能,并在能量转化过程中,有效地抑制 NOX 的排放。然而高温气固两相流体在高速旋转叶轮机械中对叶片的冲蚀,不仅会破坏叶片型线导致其气动性能下降,更是严重威胁了叶片的强度安全,引发危险。国内外基于透平气固两相流的叶片冲蚀研究取得了诸多进展,但是这些成果大多是基于数值模拟,数值模拟中所作的假定和简化往往跟实际情况相比存在一些误差。研究多重条件下叶片材质的抗冲蚀特性,有利于揭示不同试件抗冲蚀特性的差异,是随着材料科学和表面工艺发展所需要持续再完善的应用基础研究工作,其研究成果对优选叶片材质和表面强化工艺提供科学依据,提高透平机能量转化效率,保障透平机安全运行具有非常现实的意义。目前该领域研究还有一定的局限性,尤其是热态条件下的实验平台还不能完全满足揭示叶片冲蚀本质的要求,因此优化完善热态冲蚀风洞设计是开展叶片冲蚀研究的基础性保障。
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第二章 热态冲蚀实验平台机械系统设计
 
2.1 实验系统总体设计
本系统采用空气电加热装置,负压引风装置克服了上述两种卧式气流喷砂式实验系统在固体浓度和温度浓度波动较大的缺陷。相比于其它实验系统,负压保证了颗粒下落的均匀,气固两相流流体混合的均匀。即使管道中因调节机构而存在个别缝隙,热流体也不易泄露到环境中,热态实验时人员的安全性得到保障;电加热方式则保证升温迅速、温度场稳定、能源清洁对环境无污染。负压系统的最大好处是确保微米级的颗粒在稳定段前能顺利进入风洞,并与气流充分均匀地混合,达到要求工况下含尘气流的效果。其较好地解决了在正压送风系统下,颗粒由于风洞内气压大于外界大气压而难以进入风洞的缺陷;同时,管道内的空气被强制排出到外界,管道内的空气为主动排风,循环更加高效;传统的正压系统实验用颗粒由于风道内的强大压强大于外界大气,粒子不能很好的进入流道内的流体之中,并且空气变为被动排风,不利于管道内的空气循环。根据烟气轮机叶片实际工况要求,采用负压气流驱动,电加热器对气流加热,高温负压颗粒添加,烟气冷却,以及数字监控,建成了具有通用性和宽参数范围的中高温、低马赫数(M<0.3)热态负压风洞实验系统。系统的整体框架如图 2-1 所示,系统设计为负压系统,由 10 引风机驱动流体定向流动。外界空气经 1 电加热器加热后在 2 星形加料阀处混入微小颗粒物形成气固二相流,气固二相流在 4 收缩喷嘴处进行加速,加速后的气固二相流经 5 直段稳定,稳定的气固二相流进入 6 实验段冲蚀试件,冲蚀后的气固两相流经 7 热交换机冷却后在 9 袋式除尘器进行气固分离,形成符合排放要求的气体最后由 10 引风机排出。烟气轮机工作的高温烟气温度约为 650℃,实验系统最高温度可达 750℃。为了减少系统烟气热量损失和确保实验安全,在管道外部包裹 200-300mm 厚度的硅酸铝隔热材料,当管道内部烟气温度达到 750℃时,经测量外包最高温度不超过 45℃。
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2.2 气力输送系统设计
气力输送系统是在管道内利用气体作为承载介质,将物料从一处输送到另一处的输送系统。稀相输送通常采用较高的气流速度和较低的固气比,输送介质采用空气,动力一般为罗茨风机提供,物料在管道中呈悬浮状态。本实验风洞系统采用气力输送进行实验用颗粒传输,其特点为:在节能的同时,输送效率高;因整个输送过程是完全封闭,所以气候环境条件作用于输送系统的影响较小;结构紧凑、占地面积小、布置灵活,便于集中控制、自动化程度高。采用引风机作为系统的动力源,为冲蚀风洞系统提供负压环境,驱动空气从加热器进气口进入管道,并以一定的速度在管道中流动,引风电机通过变频器实现变频调速,可调节电机的输入频率,改变电机转速控制流体流速,使之满足不同冲蚀条件下的实验。罗茨风机性能参数:功率 7.5 k W,额定转速 1 650 r /min,极限压力 49 k Pa,进口流量 4 m3 /min。为 了 保 证 风 洞 系 统 能 够 耐 高 温 抗 氧 化 , 风 洞 管 道 选 用 316 不 锈 钢18Cr-12Ni-2.5Mo 因添加 Mo,故其耐蚀性、耐大气腐蚀性和高温强度特别好,可在苛酷的条件下使用;加工硬化性优(无磁性)。空气电加热器如图 2-2、2-3 所示,作为系统的热源,为达到所需要的高温气体,并且满足空气干燥无水分、不燃烧、不爆炸、安全的设计要求,空气电加热器工作温度可达 750℃,设计压力为 1Mpa 的电阻合金丝制空气电加热器,其效率可达 90%以上,且升温速率快,达 10℃/min,温度调节方便,稳定性好。电加热器容器壁材料选用 2520 材质,奥氏体铬镍不锈钢,具有很好的抗氧化性、耐腐蚀性,最高工作温度1200 ℃,连续使用温度 1150 ℃。
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第三章 实验台数据采集监控硬件系统........22
3.1 监控硬件系统总体设计...... 22
3.2 气流速度检测与调控.......... 25
3.3 颗粒冲击速度的计算......... 26
3.4 冲蚀角度切换与检测.......... 26
3.5 高温气体压力检测.............. 27
3.6 本章小结........ 28
第四章 热态冲蚀实验系统上位机软件设计...........30
4.1 组态软件介绍.......... 30
4.2 建立组态工程........... 31
4.3 温度与压力测量数据的数字滤波........... 35
4.4 热态冲蚀实验系统性能测试......... 38
4.5 冲蚀系统操作使用流程...... 42
4.6 本章小结........ 45
第五章 透平叶片材料抗冲蚀性能实验研究...........46
5.1 实验原理........ 46
5.2 材料选取及式样制备.......... 46
5.3 实验条件和方法....... 47
5.4 实验数据处理和结果分析............. 48
5.5 本章小结....... 55
 
第五章 透平叶片材料抗冲蚀性能实验研究
 
从 20 世纪 90 年代至今,国内外基于透平气固两相流动的叶片冲蚀研究取得了诸多进展[37-39],这些成果更多的是基于数值模拟,数值模拟中所作的假定和简化往往跟实际情况相比存在一些误差。国内学者在开展数值模拟的同时,也建立一些实验平台如西安交通大学的刘观伟等建立了高温高速冲蚀实验系统,进行了诸多实验研究并取得了相应的成果 [41-47],但是现阶段冲蚀实验研究范围依然比较狭窄,尤其关于透平叶片材料针对不同叶片表面处理工艺下抗冲蚀特性的系统性实验研究还十分缺乏。本文在上述自行研制的实验系统上,针对于常用透平叶片材料 1Cr12Mo 开展了抗冲蚀特性研究。
 
5.1 实验原理
首先,取一洗净吹干后的试件进行实验前称重,记下质量0M 。为了消除环境因素和人为因素对称重的误差影响,每次称重反复进行三次测量并求平均值。称重后将试件放入实验段中,调整角度卡盘使试件冲蚀面背对喷口,这样做的目的是防止在加热过程及速度稳定过程中管道中的残余颗粒冲蚀试件而造成实验误差。其次,调节电加热器将实验段温度加热到设定温度并稳定,同时调节风机频率使气流速度达到设定值并稳定。待温度和速度均稳定后调节角度卡盘至相应角度,开启星型加料阀开始对叶片进行冲蚀,并记下冲蚀时间。每次实验冲蚀时间持续 4 分钟,冲蚀颗粒的质量为 40g,为了保证颗粒能够均匀下落,实验前对颗粒进行烘干。最后,冲蚀结束后关闭引风机和电加热器,取出冲蚀后的试件,置于常温环境自然冷却,冷却后置于超声波清洗仪中清洗 3 分钟,清洗完吹干后进行称重,记下质量1M 。每块试件重复上述操作进行 6 次实验。
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结论
 
本文针对目前国内外气流喷砂式冲蚀风洞实验平台,尤其是热态风洞平台存在气固混合不易均匀且气流不稳定,实验温度波动大以及不易精确调控的现状,以 PC 机为核心设计了一套热态负压冲蚀实验平台。经测试最高温度可达 750℃,气固两相流颗粒浓度可调,冲蚀速度可调,可 0°―90°任意冲角调节。系统操作简单,实验效率高,温度和气流速度稳定,落沙均匀,蓄热性能良好,安全性高,满足设计要求。关于热态风洞冲蚀实验系统的研制涉及到热态负压风洞机械系统的构建、基于传感器数据采集和信号传输的电子监控系统的搭建以及基于 MCGS 组态软件的上位机监控软件的开发。主要研究成果与结论如下:
(1)通过查阅大量文献和汲取前人设计经验的基础上,采用负压的气流驱动方式、空气电加热器对气流进行加热,完成了风洞硬件系统设计和系统器件的选型。
(2)根据无限空间射流理论和模型,通过相关计算和分析确定了实验系统最佳冲蚀距离和对应的冲蚀面积。
(3)选用 DIGATTO T 串口服务器和 RS-485 串口总线构建了用于传感器数据采集和信号传输的硬件系统,该硬件系统稳定且响应速度快。
(4)基于空气动力学基本原理,应用流体连续性方程和理想气体状态方程,根据测点的气体流速计算喷口气流速度,并据此完成了颗粒冲击速度的估算。
(5)运用 MCGS 组态软件完成了上位机组态软件设计,通过使用本文设计的监控软件,能显著提升实验效率,并能获得丰富的实验过程数据。
(6)通过实验研究 1Cr12Mo 在 200℃、300℃、400℃情况下的抗冲蚀特性,发现三个温度条件下 1Cr12Mo 材料累积失重与累积冲蚀量均具有高度的线性关系,三个温度条件下最大冲蚀率均出现在 20-25°冲蚀角之间,1Cr12Mo 基材在 300℃温度情况下失重最小,表明该种材料更适合运用于工作环境在 300℃上下的透平叶片。
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