彈珠對汽輪機效率及葉片斷裂、水蝕的影響

高德偉

（中國石油遼陽石化分公司熱電廠，遼陽 111003）

汽輪機在工作時葉片主要受力包括：本身質量和圍帶、拉筋所產生的離心力，汽流通過葉柵通道時產生的汽流力，在汽輪機啟動、停機過程中由于葉片的溫差而引起的熱應力.但是對于飽和蒸汽汽輪機的各級和普通多級凝汽式汽輪機的最后幾級，由于葉片在濕蒸汽區域內工作，所以葉片還會受到一種特殊的作用力，即“彈珠阻止轉子旋轉的制動力”.該力的存在直接影響汽輪機效率，是導致葉片斷裂和水蝕的主要因素.實踐表明，汽輪機發生的事故中葉片事故最多，高達40%［1］，因此應引起高度重視.

目前，汽輪機末級葉片的水蝕問題是全世界尚未解決的難題［2］，針對“彈珠”和“彈珠阻止轉子旋轉的制動力”進行深入研究，會為汽輪機在濕蒸汽區域內工作級的狀態分析和研究開辟一條新的思路，同時對水蝕理論的研究也有重要的指導意義.

1 水滴簡介

在汽輪機濕蒸汽區域內，由于形成機理不同濕蒸汽中的液相可以分為一次水滴（凝結形成）和二次水滴.目前對一次水滴的研究較為深入，對二次水滴的形成過程雖然已有不少研究，但因二次水滴的形成過程極其復雜，暫時還沒有完善的理論可以對其進行描述.一般來說，在汽輪機中，濕蒸汽流過葉片時會聚集在葉片表面形成水膜，水膜在葉片出汽邊處被高速汽流撕裂和破碎，所形成的水滴直徑較大，可達數十甚至數百微米，這種水滴稱為二次水滴［3］.二次水滴是引起低壓缸末幾級動葉片水蝕的直接原因.隨著機組單機容量的增大及核電汽輪機的發展，低壓缸末幾級動葉片的水蝕問題越來越嚴重.

在濕蒸汽研究的領域中，本文所涉及到的“彈珠”應歸屬于二次水滴的范疇內.但是，由“彈珠”所形成的二次水滴與葉片出汽邊處的“水膜”被高速汽流撕裂和破碎所形成的二次水滴是有區別的.

1.1 “水膜”所形成的二次水滴

一次水滴在葉片表面凝結形成的水膜和彈珠沉積在葉片表面形成的水膜在汽流作用下流動到葉片尾緣，被撕裂和破碎形成二次水滴.這些二次水滴大部分進入流道，直接撞擊動葉片背弧表面造成沖蝕，部分撞擊到汽缸內表面.撞擊到汽缸內表面的二次水滴部分在汽缸內表面形成水膜，部分又飛濺出來重新撞擊到葉片上.

1.2 “彈珠”所形成的二次水滴

由“彈珠”所形成的二次水滴最初來源主要有2個方面：一是由于高速蒸汽流在汽缸內的流動撞擊和干擾，使沉積在缸體內各動、靜部件表面上的水膜被部分濺起形成的反彈水珠；二是由于高速蒸汽流在汽缸內的流動過程中，攜帶一次水滴（凝結形成）飛濺到缸體內各動、靜部件表面上而被彈起所形成的反彈水珠.由“彈珠”所形成的二次水滴被彈起后，與一次水滴相互吸附，形成更大的水滴，一部分直接撞擊到葉片表面上對葉片產生沖蝕，同時也會在葉片上再次形成水膜；另一部分飛濺到汽缸體內各動、靜部件表面上而被再次彈起形成新的反彈水珠，同時也會在缸體內各動、靜部件表面上再次形成新的水膜.這樣的情形將會不斷持續、反復出現.在離心力作用下，水滴對隔板外緣的內表面（特別是水滴直射區）撞擊力也很大，會產生內凹現象，遼陽石化分公司熱電廠8號汽輪機末級隔板就有此現象產生.

由“彈珠”所形成的二次水滴量的多少直接影響“水膜”在葉片出汽邊處被高速汽流撕裂和破碎所形成的二次水滴量的多少.因為由“彈珠”所形成的二次水滴會持續不斷地在葉片表面上形成新的水膜，所以有效控制和降低彈珠的生成量十分必要.

2 “彈珠阻止轉子旋轉的制動力”存在的原因

以遼陽石化分公司熱電廠8號汽輪機（CC50－8.8／1.47／0.245型）為例，從幾個方面來說明“彈珠阻止轉子旋轉的制動力”存在的原因.

2.1 葉片的水蝕

圖1和圖2為8號汽輪機末級葉片的水蝕圖.從圖1和圖2可以清楚地看到，在末級葉片頂部的進汽側均發生“V”型缺口的水蝕現象，且缺口的深度約為30mm.從圖2也可以清楚地看到，在末級葉片進汽側的邊緣和背弧面上均發生了嚴重的水蝕現象.該“V”型缺口的水蝕位置對應靜葉隔板位置，表明該水蝕是由隔板產生的彈珠造成的.

圖1 末級葉片水蝕圖（內弧面）Fig.1 Water erosion on last stage blade（concave surface）

圖2 末級葉片水蝕圖（背弧面）Fig.2 Water erosion on last stage blade（convex surface）

2.1.1 “水膜”形成的二次水滴引起的葉片水蝕

由于一次水滴在高速蒸汽流的攜帶下進入汽流通道，在靜葉片表面上形成沉積水膜，水膜在汽流作用下流動到葉片尾緣被撕裂和破碎形成二次水滴.二次水滴進入動葉區時，會撞擊到動葉進口處的背弧上，產生阻止葉輪旋轉的制動力.這些二次水滴會對葉片產生水蝕作用，且很嚴重.

2.1.2 “彈珠”形成的二次水滴引起的葉片水蝕

在離心力和蒸汽流的作用下，濕蒸汽在流動過程中攜帶的水滴（水珠）一部分被濺到缸體內各動、靜部件的表面上，由于慣性的作用，水滴被反彈后形成水珠，稱為“反彈水珠”；在蒸汽濕度較大區域內，缸體內各動、靜部件（特別是隔板外緣）的內表面將會形成凝結水膜，由于汽流及水滴的干擾和沖擊，也會形成大量的“反彈水珠”.“反彈水珠”簡稱“彈珠”，又稱由“彈珠”所形成的“二次水滴”.“彈珠”在蒸汽流的攜帶下進入動葉區時，也正好撞擊在動葉進口處的背弧上，產生了阻止葉輪旋轉的制動力，該制動力會對動葉片進汽側的邊緣和背弧面造成水蝕現象，而且非常嚴重.

由彈珠產生的阻止轉子旋轉的制動力遠遠大于由蒸汽在膨脹過程中析出的一次水滴所產生的阻止葉輪旋轉的制動力.同時，彈珠也增大了“水膜”被撕裂和破碎后形成的二次水滴對葉輪旋轉產生的制動力.因為（1）彈珠的質量（或直徑）遠遠大于一次水滴的質量（或直徑）；（2）彈珠進入動葉區時的周向速度遠遠小于一次水滴進入動葉區時的周向速度；（3）彈珠進入靜葉區時能使葉片表面上的水膜量增加，同時也能使“水膜”被撕裂和破碎后形成的二次水滴的數量增加；（4）在離心力的作用下，彈珠多數在缸體的內表面上被彈起，在缸體的內表面附近形成的二次水滴（彈珠）直徑大、密度大，對轉子旋轉所產生的制動力很大.因此從圖1和圖2可以看到，在葉片頂部的進汽側出現“V”型缺口的水蝕現象.

2.1.3 蒸汽品質對葉片水蝕的影響

當蒸汽中含有雜質時，會形成有核凝結，有核凝結產生水滴的直徑大于自發凝結產生水滴的直徑［4］，且凝結會提前發生.蒸汽品質較差會導致產生更多有核凝結水滴，加重葉片的水蝕.應該加強對蒸汽品質的管理，嚴格控制除鹽水、爐水、蒸汽、除氧水及凝結水的標準，加強爐水的連續排污和定期排污，提高蒸汽品質，從而減輕對葉片的水蝕.

2.2 拉筋的斷裂現象及分析

2.2.1 實例分析

圖3為遼陽石化分公司熱電廠8號汽輪機次末級葉片拉筋的斷裂實例圖.

圖3 次末級拉筋斷裂Fig.3 Photos of fractured brace for second last stage blade

機組次末級葉片的連接方式為拉筋式連接，共分為16組，對拉筋檢查后發現：在16組中，有9組存在拉筋斷裂現象，占總組數的56%；斷裂拉筋組中，邊緣葉片處拉筋均斷裂，且發生在斷裂組的同一側，如圖3所示.從斷裂拉筋中發現，處于每組邊緣的葉片（尾片）拉筋先斷裂，說明每組邊緣葉片（尾片）的承載力較大.

從宏觀上看，上述情況說明拉筋強度不足.但是從微觀上看，有以下問題值得探討和研究：（1）致使拉筋斷裂的力是什么力？是怎樣產生的？（2）為什么拉筋斷裂的點多數發生在靠近葉片的背弧側？（3）為什么在斷裂拉筋中邊緣葉片拉筋均斷裂，且在各斷裂組中均發生在尾片的同一側？

2.2.2 相關資料的論述

在以往的汽輪機相關資料中，也有關于拉筋葉片組的彎曲應力的相應論述.當葉片用拉筋連接成組，葉片受到汽流作用力而發生彎曲變形時，拉筋也隨之彎轉而產生彎曲變形.這時拉筋對葉片有一反彎矩，將部分抵消汽流引起的彎矩，使彎曲應力減小.葉片受汽流作用力產生彎曲變形時，會在最大慣性軸方向產生彎曲.由于葉片在軸向的撓度，使拉筋隨同葉頂在軸向移動一距離，然而并不能使拉筋彎曲，只有葉片在輪周方向上的彎曲才會引起拉筋的彎曲，產生反彎矩.當葉片上的拉筋產生彎曲變形后（如圖4所示），在兩葉片間的拉筋上有一反向點A，在此點兩邊的彎矩大小相等，方向相反，亦即在此點的彎矩等于零，只有剪切力S.

圖4 葉片與拉筋在汽流作用下的彎曲變形Fig.4 Distortion of blade and brace caused by high－speed steam flow

葉片用拉筋連接常常并不是連接成整圈，而是分成多組的，這時每組中的各葉片所受到的拉筋反彎矩并不相等，因為在分段處拉筋有一側并不受剪切力S作用，故在同一組內兩端的葉片所受到的反彎矩較小，中間葉片所受到的反彎矩較大，相差可達10%～12%.另外，在拉筋以上的葉片段只承受汽流作用彎矩，在拉筋處及拉筋以下的葉片才受拉筋反彎矩［5］.

2.2.3 實例分析與相關資料論述的差異

根據上述相關資料的觀點來分析，各組葉片的拉筋最容易發生斷裂的部位應該是葉片受汽流作用力最大的內弧側B點處，而不應該是葉片受汽流作用力較小的背弧側C點處.因為拉筋在B點處所受的力是拉應力，C點處所受的力是壓應力.但是，從遼陽石化分公司熱電廠8號汽輪機次末級葉片拉筋斷裂的實際情況看，正與上述結果相反.筆者認為其原因為：在濕蒸汽區域內工作的級，拉筋以上的葉片段不僅會受到汽流的作用力，同時還會受到一種特殊的作用力，即“彈珠阻止轉子旋轉的制動力”，且該力為高頻激振力.

2.2.4 “彈珠阻止轉子旋轉的制動力”存在的理由

在濕蒸汽區域內工作的級，由于葉片用拉筋連接成組，在葉片的頂部，葉片同時受到汽流作用力FQL和彈珠阻止轉子旋轉的制動力FTZ而發生彎曲變形，如圖5所示.當作用在葉片頂部△L段的汽流作用力△FQL小于作用在葉片頂部△L段彈珠阻止轉子旋轉的制動力△FTZ時，拉筋在D點處的拉應力大于E點處的拉應力.所以，拉筋在D點（尾片）處最容易斷裂.從遼陽石化分公司熱電廠8號汽輪機次末級葉片拉筋的斷裂情況證明“彈珠阻止轉子旋轉的制動力”是確實存在的.

圖5 葉片與拉筋在汽流力和彈珠制動力作用下的彎曲變形Fig.5 Distortion of blade and brace caused by both steam flow and braking force of water marbles

2.3 葉片斷裂原因分析

遼陽石化分公司熱電廠8號汽輪機在1996—2008年運行期間，先后發生過3次由于葉片斷裂而造成的事故停機.圖6和圖7是8號汽輪機組次末級葉片斷裂的斷口實例圖.

在正常情況下，葉片裂紋延展區應在60%以上時葉片才會斷裂.而由圖7可看出，其斷裂截面積延展區不到50%、瞬斷區在50%以上就發生了斷裂.

圖6 次末級葉片斷裂圖Fig.6 The photo of a fractured blade at second last stage

圖7 次末級葉片斷裂的斷口Fig.7 Fracture appearance of the second last stage blade

從機組次末級葉片拉筋的斷裂情況看，每組邊緣葉片（尾片）的拉筋先斷裂，說明葉片受到彈珠阻止轉子旋轉的制動力很大，使得每組邊緣葉片（尾片）的拉筋承載力較大，拉筋強度不足.由于拉筋斷裂后，改變了葉片振動頻率，最終導致葉片斷裂.因此推斷，該葉片（尾片）產生斷裂的順序應為拉筋先斷，然后葉片發生顫動而產生裂紋，最終整個葉片發生斷裂.

觀察葉片斷口和裂紋的宏觀低倍形貌可知，葉片斷口表面具有疲勞斷裂的典型特征.由于疲勞裂紋起源于葉片根部附近的出汽邊，即葉片在交變應力作用下產生微小裂紋，繼而擴展成宏觀裂紋，當裂紋擴展到一定程度時，最終導致葉片斷裂，整個過程是一個疲勞斷裂過程.

根據以往相關資料，葉片截面形狀沿葉高變化不大時，葉片斷裂的源點一般在出汽邊.圖8為汽流力作用于葉片的應力分析圖［6］.其中，DG為葉片截面最小慣性軸，IH為葉片截面最大慣性軸，蒸汽在葉片上產生彎曲應力，葉片上A、B、C點是切向最大彎曲應力點，E、F是軸向最大彎曲應力點.葉片出汽邊所承受的彎曲應力最大，且均為拉應力.因此，在汽流力作用下，葉片的斷裂源點位于出汽邊.相應在A、B、C點所受到的彎曲應力分別用σA1、σB1、σC1表示.

圖8 汽流力作用于葉片的應力分析Fig.8 Stress analysis of a blade under the action of steam flow

圖9為彈珠力作用于葉片的應力分析圖，其中MN為葉片截面扭轉的垂直慣性軸.“彈珠阻止轉子旋轉的制動力”FTZ主要作用在動葉進口處的背弧上，且在葉片頂部更為嚴重.“彈珠阻止轉子旋轉的制動力”FTZ對葉片的出汽邊B點所產生的力為

式中：e1為FTZ到MN的垂直距離；e2為FB到MN的垂直距離.

圖9 彈珠力作用于葉片的應力分析Fig.9 Stress analysis of a blade under the action of water marbles

相應B點所受到的彎曲應力為σB2，同理，相應A點、C點所受到的彎曲應力分別用σA2、σC2表示.

結合上述分析，葉片在A、B、C點所受到的彎曲應力（負號表示壓應力）之和分別為σA、σB、σC，則

從式（2）可以看出，葉片出汽邊B點處所承受的彎曲應力均為拉應力.該B點位于出汽邊，幾何尺寸又很小，所以一般來說葉片斷裂首先發生在出汽邊；如果葉片出汽邊的某點存在缺陷，則更易發生斷裂現象，且葉片根部所受力矩較大，發生斷裂現象較多.

8號汽輪機次末級葉片拉筋的材質為1Gr13，直徑d＝6.5mm，由文獻［7］查得：1Gr13材質的抗拉強度σb＝588.4MPa，設計時疲勞極限（循環次數N＝1×107）σ—1＝372.65MPa，即使這樣拉筋還發生斷裂，說明該拉筋承受了相當大的拉力.這個拉力應該是由于彈珠的存在產生的，至少應該克服以下3種力（周向力）的作用：（1）蒸汽對葉片頂端△L段產生的汽流力；（2）由彈珠所導致的使葉片產生變形的恢復力（彈力）；（3）拉筋束縛葉片產生變形的束縛力.

根據上述對葉片的水蝕、葉片拉筋的斷裂現象以及葉片斷裂原因的分析均可以看出，葉片受到的“彈珠阻止轉子旋轉的制動力”是造成葉片斷裂的主要原因.從式（2）也可以證明，葉片的斷裂與“彈珠阻止轉子旋轉的制動力”的大小密切相關.

3 解決問題的方法

利用一定的科學技術手段改變隔板的結構形式，從而減小“彈珠阻止轉子旋轉的制動力”或抑制其產生，即有效地減少彈珠的形成數量，減小損耗，從而達到提高機組效率、延長葉片使用壽命的目的.

以 N50－90－535型汽輪機［5］為例說明彈珠對汽輪機效率的影響.表1給出了N50－90－535型汽輪機17～22級的參數.

表1 N50－90－535型汽輪機部分級的參數Tab.1 Parameters of the N50－90－535steam turbine at several stages

從表1可以看出，汽輪機的末幾級在每毫秒的時間內就可析出水珠10.88g.若在析出水珠總量∑Q＝10.88g／ms中，有10%的量是以彈珠的形式存在的，那么QTZ＝1.09g／ms，如果上述彈珠量能減少30%，機組的效率就會有較大的提高.在蒸汽流和一次水滴的高速流動影響下，由“彈珠”所形成的二次水滴會連續不斷地重復生成新的二次水滴.在離心力的作用下，這種二次水滴多數集中在隔板外緣的內表面附近，且越靠近隔板外緣內表面附近的水滴，其直徑越大，密度也越大.據有關資料介紹，一滴直徑為4mm的水滴在高速下可產生相當于15kN 的沖擊力［6］；同樣，根據 Rochester和Brunton的試驗結果［8］，在固液撞觸邊緣上撞擊壓力峰值高達260MPa，所用的液滴直徑為5mm，撞擊速度為100m／s，撞擊壓力峰值出現在固液撞觸邊緣.所以彈珠阻止轉子旋轉的制動力對汽輪機做負功，定性地講其數值應當很大.

由于大部分水滴（珠）集中在缸體內圓周附近的區域，被持續不斷地彈起，而隔板外緣的軸向尺寸比動葉區的軸向尺寸大很多，所以改變隔板外緣內表面的結構可以有效地控制和減少彈珠的生成量，從而提高汽輪機的效率，估計可提高2.5%～5%左右，甚至更高.當然，此數值應當通過試驗來進一步驗證.

近年來，由于科技的進步、機組容量的增大、葉片型線的完善及尺寸的增大、材質及加工工藝的不斷提高，葉片斷裂現象得到了控制，但是，“彈珠阻止轉子旋轉的制動力”對汽輪機效率產生的影響至今尚未得到解決.而且葉片越長，制動力矩越大，對汽輪機效率產生的影響也就越大.

針對葉片的水蝕沖刷現象，一般采取的措施是在葉片進汽邊的上部背弧側進行表面強化處理，即局部高頻淬硬、電火花強化、氮化、焊硬質合金、激光強化處理等.這些措施對延長葉片的使用壽命雖然能起到一定的作用，但是這只是被動式的解決方法.如果能夠由被動式的解決方法轉變為主動式，從源頭著手，使用汽輪機外緣內表面去濕隔板，在減小和控制“彈珠阻止轉子旋轉的制動力”上下功夫，將會產生更好的效果.

當彈珠與轉子葉片相撞擊時，會導致轉子軸向推力增大.由于水滴的沖蝕現象，在末幾級葉片進汽側的邊緣和背弧面上已經形成了蜂窩式或鋸齒式的水蝕坑痕，當蒸汽和水滴與葉片表面接觸時，蒸汽和水滴就不能很順利地沿著葉片原設計的光滑流線曲面通過，而會形成一定的阻力，使轉子的軸向力增大，導致推力軸承的工作溫度升高.這點在遼陽石化分公司熱電廠7號、8號汽輪機中已經得到了證實.所以，減小“彈珠阻止轉子旋轉的制動力”能夠減小轉子的軸向推力，降低推力軸承的工作溫度.

4 結 論

（1）二次水滴包括由“彈珠”所形成的二次水滴和由葉片出汽邊處的“水膜”被高速汽流撕裂和破碎所形成的二次水滴.彈珠量的多少會影響二次水滴的總量，同時也影響汽缸內動、靜部件表面的水膜生成量.

（2）二次水滴的多少直接影響汽輪機的效率和葉片水蝕的程度.

（3）汽缸內動、靜部件的表面形狀和結構形式直接影響彈珠的生成量，改變隔板外緣內表面的結構可以控制反彈水珠的形成，有效減少二次水滴的總量，從而提高汽輪機效率，延長葉片使用壽命.

（4）蒸汽品質對汽輪機的效率和葉片的水蝕也有一定影響，應該加強對蒸汽品質的監督和管理，以減少彈珠的生成量.

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