汽輪機(jī)葉片概述

汽輪機(jī)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(yùn)轉(zhuǎn)中的動(dòng)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(jí)，要經(jīng)受電化學(xué)腐蝕及水滴沖蝕動(dòng)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(dòng)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。

葉片是汽輪機(jī)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(dòng)以及濕蒸汽區(qū)水滴沖蝕的共同作用。其空氣動(dòng)力學(xué)性能、加工幾何形狀、表面粗糙度、安裝間隙及運(yùn)行工況、結(jié)垢等因素均影響汽輪機(jī)的效率、出力；其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、振動(dòng)強(qiáng)度及運(yùn)行方式則對(duì)機(jī)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(tuán)無不堅(jiān)持不懈地作出巨大努力，把最先進(jìn)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?cè)谄啓C(jī)制造領(lǐng)域的先進(jìn)地位。

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

隨著我國(guó)電站汽輪機(jī)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(duì)于300 MW及600MW機(jī)組，每級(jí)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(jī)和整臺(tái)火電機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)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(jí)噴嘴面積減少10%，機(jī)組的出力會(huì)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(jí)效率降低1%～3%;如果葉片發(fā)生斷裂，其后果是：輕的引起機(jī)組振動(dòng)、通流部分動(dòng)、靜摩擦，同時(shí)損失效率；嚴(yán)重的會(huì)引起強(qiáng)迫停機(jī)，有時(shí)為更換葉片或修理被損壞的轉(zhuǎn)子、靜子需要幾周到幾個(gè)月時(shí)間;在某些情況下由于葉片損壞沒有及時(shí)發(fā)現(xiàn)或及時(shí)處理，引起事故擴(kuò)大至整臺(tái)機(jī)組或由于末級(jí)葉片斷裂引起機(jī)組不平衡振動(dòng)，可能導(dǎo)致整臺(tái)機(jī)組毀壞，其經(jīng)濟(jì)損失將以億計(jì)，這樣的例子，國(guó)內(nèi)外并不罕見。

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

通過對(duì)10余個(gè)電廠葉片運(yùn)行狀況的調(diào)研及收集有關(guān)葉片運(yùn)行資料，分析了上海汽輪機(jī)有限公司、哈爾濱汽輪機(jī)有限責(zé)任公司、東方汽輪機(jī)廠(簡(jiǎn)稱上汽、哈汽、東汽) 等國(guó)產(chǎn)以及從美國(guó)、日本、前蘇聯(lián)和歐洲一些國(guó)家引進(jìn)的300 MW 以上亞臨界及超臨界壓力大功率汽輪機(jī)部分葉片故障。這些機(jī)組低壓級(jí)葉片在實(shí)際運(yùn)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(jí)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(guó)大功率汽輪機(jī)葉片的現(xiàn)狀 。

末級(jí)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(jī)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(jìn)口機(jī)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(jí)葉片出汽邊的水沖蝕損傷已成為影響大機(jī)組安全運(yùn)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(dòng)性能惡化，級(jí)效率降低，更嚴(yán)重的是對(duì)汽輪機(jī)的安全運(yùn)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(huì)影響到葉片的振動(dòng)特性，大大地削弱葉片的強(qiáng)度，這就增加了末級(jí)葉片斷裂的危險(xiǎn)性。

本項(xiàng)研究比較全面地反映了電力工業(yè)大型汽輪機(jī)葉片的安全狀況，包括末級(jí)、次末級(jí)及其它一些葉片如調(diào)節(jié)級(jí)葉片和低壓級(jí)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(duì)策。所述葉片故障的原因大多數(shù)是由設(shè)計(jì)欠周到或制造質(zhì)量問題引起的，而隨著裝機(jī)迅速擴(kuò)大，由于安裝、調(diào)試和運(yùn)行方面引起的葉片損傷應(yīng)高度重視 。2100433B

概括來講，汽輪機(jī)末級(jí)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(guó)內(nèi)外汽輪機(jī)制造廠家來看，BBC、Allis-charmers、KWU等公司采用過自由葉片，美國(guó)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(dòng)力學(xué)的觀點(diǎn)來看，自由葉片流型好、應(yīng)力集中強(qiáng)度較低、其振型少，而且易于計(jì)算，但其最大的缺點(diǎn)是對(duì)抗拉強(qiáng)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(jìn)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(guó)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(guó)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(jī)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(jí)的蒸汽壓力最低，所需的容積流量也最高，因此末級(jí)葉片是汽輪機(jī)各級(jí)葉片中最長(zhǎng)的一級(jí)，承受最大的離心力載荷和由此產(chǎn)生的應(yīng)力。

末級(jí)葉片是汽輪機(jī)中的一個(gè)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(gè)復(fù)雜的多學(xué)科問題，它不僅與機(jī)械設(shè)計(jì)、空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)、材料成分設(shè)計(jì)有關(guān)，還與材料熱處理工藝設(shè)計(jì)、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(guó)內(nèi)外汽輪機(jī)的運(yùn)行過程中，都曾出現(xiàn)較多的末級(jí)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(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，有效減少和預(yù)防事故的發(fā)生，在汽輪機(jī)末級(jí)葉片正式投入使用之前，我們有必要對(duì)汽輪機(jī)末級(jí)葉片進(jìn)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(yùn)轉(zhuǎn)，避免葉片過早的失效，有效提高汽輪機(jī)的可靠性和安全性。