汽輪機葉片

通過對10余個電廠葉片運行狀況的調(diào)研及收集有關(guān)葉片運行資料，分析了上海汽輪機有限公司、哈爾濱汽輪機有限責(zé)任公司、東方汽輪機廠(簡稱上汽、哈汽、東汽) 等國產(chǎn)以及從美國、日本、前蘇聯(lián)和歐洲一些國家引進的300 MW 以上亞臨界及超臨界壓力大功率汽輪機部分葉片故障。這些機組低壓級葉片在實際運行過程中，由于種種原因在葉片、葉根、拉筋、圍帶及司太立合金片等部位經(jīng)常發(fā)生故障，末級葉片的水沖蝕損傷相當(dāng)普遍。這些故障基本上全面反映了我國大功率汽輪機葉片的現(xiàn)狀 。

葉片是汽輪機的關(guān)鍵零件，又是最精細(xì)、最重要的零件之一。它在極苛刻的條件下承受高溫、高壓、巨大的離心力、蒸汽力、蒸汽激振力、腐蝕和振動以及濕蒸汽區(qū)水滴沖蝕的共同作用。其空氣動力學(xué)性能、加工幾何形狀、表面粗糙度、安裝間隙及運行工況、結(jié)垢等因素均影響汽輪機的效率、出力；其結(jié)構(gòu)設(shè)計、振動強度及運行方式則對機組的安全可靠性起決定性的影響。因此，全世界最著名的幾大制造集團無不堅持不懈地作出巨大努力，把最先進的科學(xué)技術(shù)成果應(yīng)用于新型葉片的開發(fā)，不斷推出一代比一代性能更優(yōu)越的新葉片，以捍衛(wèi)他們在汽輪機制造領(lǐng)域的先進地位。

在1986～1997年間我國電力工業(yè)得到持續(xù)、高速發(fā)展，電站汽輪機正在實現(xiàn)高參數(shù)大容量化。據(jù)統(tǒng)計，到1997年底，包括火電、核電在內(nèi)的汽輪機裝機容量已達(dá)到192 GW，其中火電250～300 MW機組128臺，320.0～362.5 MW機組29臺，500～660MW機組17臺；200 MW及以下的機組也有很大發(fā)展，200～210MW機組188臺，110～125 MW機組123臺，100MW機組141臺。核電汽輪機最大容量為900MW。

隨著我國電站汽輪機大容量化，葉片的安全可靠性和保持其高效率愈顯得重要。對于300 MW及600MW機組，每級葉片轉(zhuǎn)換的功率高達(dá)10MW乃至20 MW左右，即使葉片發(fā)生輕微的損傷，所引起的汽輪機和整臺火電機組的熱經(jīng)濟性和安全可靠性的降低也是不容忽視的。例如，由于結(jié)垢使高壓第1級噴嘴面積減少10%，機組的出力會減少3%，由于外來硬質(zhì)異物打擊葉片損傷以及固體粒子侵蝕葉片損傷，視其嚴(yán)重程度都可能使級效率降低1%～3%;如果葉片發(fā)生斷裂，其后果是：輕的引起機組振動、通流部分動、靜摩擦，同時損失效率；嚴(yán)重的會引起強迫停機，有時為更換葉片或修理被損壞的轉(zhuǎn)子、靜子需要幾周到幾個月時間;在某些情況下由于葉片損壞沒有及時發(fā)現(xiàn)或及時處理，引起事故擴大至整臺機組或由于末級葉片斷裂引起機組不平衡振動，可能導(dǎo)致整臺機組毀壞，其經(jīng)濟損失將以億計，這樣的例子，國內(nèi)外并不罕見。

由多年積累的經(jīng)驗證明，每當(dāng)有一大批新型汽輪機投入運行以后或在電力供需不平衡出現(xiàn)汽輪機在偏離設(shè)計工況長期運行時，由于設(shè)計、制造、安裝、檢修以及運行不當(dāng)?shù)确矫娴脑蛞鸬娜~片故障損傷便會充分暴露出來。如上所述我國電站大型汽輪機裝機連續(xù)10 余年迅速增加，開始出現(xiàn)某些地區(qū)的大機組長期帶低負(fù)荷運行的新情況，因此，很有必要及時調(diào)查研究、分析、總結(jié)葉片尤其是末級和調(diào)節(jié)級葉片發(fā)生的各種損傷及尋找規(guī)律，以期制定防范、改進措施，避免發(fā)生大的損失 。

汽輪機葉片受高溫高壓蒸汽的作用，工作中承受著較大的彎矩，高速運轉(zhuǎn)中的動葉片還要承受很高的離心力；處于濕燕汽區(qū)的 葉片，特別是末級，要經(jīng)受電化學(xué)腐蝕及水滴沖蝕動葉片還要承受很復(fù)雜的激振力。因此，葉片用鋼應(yīng)滿足以下要求：

1.有足夠的室溫、高溫力學(xué)性能和抗蠕變性能；

2.有高的抗振動衰減能力；

3.高的組織穩(wěn)定性；

4.良好的耐腐蝕和抗沖蝕能力；

5.良好的工藝性能。

末級葉片型線下部出汽邊的水沖蝕損傷是200MW、300 MW及600MW以上等大型汽輪機的共同問題。以往665、680、700mm葉片的出汽邊都有明顯的水沖蝕，而如今869、900、1000mm葉片以及進口機組的660、851mm等葉片出汽邊也程度不同地出現(xiàn)水沖蝕損傷，末級葉片出汽邊的水沖蝕損傷已成為影響大機組安全運行的普遍問題，應(yīng)給予高度重視。

出汽邊水沖蝕所造成的后果不僅使葉柵的氣動性能惡化，級效率降低，更嚴(yán)重的是對汽輪機的安全運行造成威脅。水沖蝕形成的鋸齒狀毛刺造成應(yīng)力集中以及減小葉型根部截面的面積，還會影響到葉片的振動特性，大大地削弱葉片的強度，這就增加了末級葉片斷裂的危險性。

本項研究比較全面地反映了電力工業(yè)大型汽輪機葉片的安全狀況，包括末級、次末級及其它一些葉片如調(diào)節(jié)級葉片和低壓級葉片發(fā)生的大事故和一些頻發(fā)性事故葉片及其防范和對策。所述葉片故障的原因大多數(shù)是由設(shè)計欠周到或制造質(zhì)量問題引起的，而隨著裝機迅速擴大，由于安裝、調(diào)試和運行方面引起的葉片損傷應(yīng)高度重視 。2100433B

概括來講，汽輪機末級葉片有3種結(jié)構(gòu)形式，即自由葉片、成組葉片及由圍帶和/或拉筋連接的整圈葉片。從國內(nèi)外汽輪機制造廠家來看，BBC、Allis-charmers、KWU等公司采用過自由葉片，美國通用電氣、西屋公司、三菱、日立、列寧格勒金屬工廠等多采用成組葉片。從動力學(xué)的觀點來看，自由葉片流型好、應(yīng)力集中強度較低、其振型少，而且易于計算，但其最大的缺點是對抗拉強度要求高，故葉根很寬，這樣沿葉高的遞減率很大，葉頂?shù)膿闲源?，極容易產(chǎn)生顫振。成組葉片及整圈葉片是通過圍帶與葉頂鉚接進行固定。當(dāng)然圍帶也可以與葉片整鍛而成，而后彼此焊接在一起。同樣拉筋也可以和葉片鍛成一體，或松拉筋型式。美國通用電氣和西屋公司等采用的成組葉片為每組4只或6只不等，通過自身圍帶和阻尼拉筋連在一起。國內(nèi)851mm和1016mm葉片為成組連接，680mm、710mm葉片為鉚接整圈圍帶，拉筋為整圈松拉筋。

蒸汽在汽輪機內(nèi)做功伴隨著壓力和溫度的降低，體積的膨脹，由于最后一級的蒸汽壓力最低，所需的容積流量也最高，因此末級葉片是汽輪機各級葉片中最長的一級，承受最大的離心力載荷和由此產(chǎn)生的應(yīng)力。

末級葉片是汽輪機中的一個重要部件，它的工作環(huán)境復(fù)雜，其可靠性的影響因素眾多，是一個復(fù)雜的多學(xué)科問題，它不僅與機械設(shè)計、空氣動力學(xué)設(shè)計、材料成分設(shè)計有關(guān)，還與材料熱處理工藝設(shè)計、材料生產(chǎn)控制、成品組裝工藝及控制、環(huán)境因素等相關(guān)。在國內(nèi)外汽輪機的運行過程中，都曾出現(xiàn)較多的末級葉片裂紋或斷裂事故。究其原因是多樣性的、復(fù)雜的。為了保證汽輪機的正常運轉(zhuǎn)，有效減少和預(yù)防事故的發(fā)生，在汽輪機末級葉片正式投入使用之前，我們有必要對汽輪機末級葉片進行全面的微觀組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的分析，以確保其在投入使用后能正常運轉(zhuǎn)，避免葉片過早的失效，有效提高汽輪機的可靠性和安全性。