汽輪機葉片設(shè)計

劉曉豐

摘 要：汽輪機葉片在受到蠕變，腐蝕、損傷影響渦輪效率甚至導(dǎo)致停機，針對這些問題提出新的葉片設(shè)計方案，減少了熱應(yīng)力的影響。有效的抗腐蝕能力，提高葉片性能的。

關(guān)鍵詞：汽輪機葉片；設(shè)計；方案

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.07.049

我們國產(chǎn)化大型特大型轉(zhuǎn)子鍛件的能力快速提升。葉片需要滿足60年的壽命，而其承受巨大的離心力和扭轉(zhuǎn)力，運行過程中會有很多因素導(dǎo)致其受損，如，調(diào)峰機組的頻繁啟動、停機以及甩負(fù)荷，都會給轉(zhuǎn)子帶來交替變化的熱應(yīng)力，使其蠕變，熱疲勞。因此對葉片的工藝和材料，要求很高。

1 蠕變

渦輪葉片不斷受到高溫， 在HP和IP級別往往會使葉片材料軟化，結(jié)合離心力的影響，葉片就會變形。導(dǎo)致蠕變（緩慢而連續(xù)的變形）。材料變形的速率取決于溫度和應(yīng)力。這是一個尤其危險的現(xiàn)象，因為葉片是根據(jù)嚴(yán)格的規(guī)格制造，在一定的負(fù)載和環(huán)境下，才能運行。由于蠕變，葉片的幾何形狀發(fā)生了變化，產(chǎn)生退化，會導(dǎo)致災(zāi)難性的破壞，這就是為什么必須為HP和IP葉片選擇高質(zhì)量材料的原因，這樣在高溫下仍然保持高產(chǎn)量。這種情況多是發(fā)生于反動式汽輪機葉片，沖動渦輪機與反動式渦輪機葉片運轉(zhuǎn)方式不同，導(dǎo)致，不同的葉片產(chǎn)生的應(yīng)力也是不同的。在反動式汽輪機，蒸汽通過固定的葉片沒有壓降，氣流通過運轉(zhuǎn)的葉片，通過噴嘴增加速度，當(dāng)汽流經(jīng)過轉(zhuǎn)子時，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。

2 葉片腐蝕

葉片的裂縫和表面粗糙度，甚至微觀尺度，高度，等各種問題的解決辦法。葉片材料經(jīng)過以上因素的影響對葉片結(jié)構(gòu)傷害很大。這些反應(yīng)通過腐蝕材料周圍存在的裂縫來擴大裂縫，削弱了葉片。本質(zhì)上，腐蝕只發(fā)生于此葉片表面出現(xiàn)裂紋。此外蒸汽中的雜質(zhì)加速。根據(jù)Ryuichiro Ebara的論文中的研究表明，腐蝕裂紋始于12%鉻不銹鋼，80多種不同化合物包括氧化物、硅酸鹽和硫化物，均在渦輪葉片上的沉積物中發(fā)現(xiàn)。這些雜質(zhì)的性質(zhì)和濃度導(dǎo)致葉片疲勞強度急劇下降。Ebara氯化鈉和氫氧化鈉非常腐蝕性化合物，因此在減少葉片疲勞強度方面非常有效。例如，Ebara在他的研究中顯示，即使是很小的（3% 3 x10-2%）氯化鈉溶液濃度的大大降低了鋼的強度疲勞。

除濕范圍包括靜葉和動葉，為了達到除濕效果，需要充分利用葉片的幾何結(jié)構(gòu)。在靜葉方面，有四種除濕結(jié)構(gòu)：（1）空心導(dǎo)葉尾緣開設(shè)吹掃縫，將較高壓蒸汽引進導(dǎo)葉內(nèi)腔后，從尾緣吹掃縫噴出；（2）通過導(dǎo)葉空腔將水膜抽吸出流動區(qū)域；（3）一種是在動葉表面上銑出溝槽或者在動葉葉頂加上葉冠，另一種上述結(jié)構(gòu)在動葉片同時都有。（4）通過向葉輪空腔內(nèi)引進熱量，加熱殼體，使水膜層蒸發(fā)，不能形成二次大水滴。除此之外，還可以在動靜葉柵間加裝隔板裝置達到除濕的效果。

腐蝕主要發(fā)生在渦輪低壓期，因為氣溫比較低，但在任何冷凝的領(lǐng)域都會有問題，當(dāng)高溫的階段渦輪機開始冷卻，為凝結(jié)提供了有利的條件，蒸汽在葉片上凝結(jié)，形成了表面的腐蝕坑和凹陷。這些對葉片損害很大，在正常負(fù)荷的壓力下，這些集中器會增加局部應(yīng)力，是葉片整體應(yīng)力的數(shù)倍。這些局部應(yīng)力的增加提供了一種材料結(jié)晶錯位引動的方法，導(dǎo)致葉片變形和裂紋擴展。

最終，應(yīng)力、疲勞和腐蝕都是內(nèi)在相關(guān)的，應(yīng)力引起葉片的警惕結(jié)構(gòu)錯位運動，形成裂縫，從而增加局部集中應(yīng)力，腐蝕通過與葉片材料的反應(yīng)在現(xiàn)有皺紋的周圍傳播裂紋，增大裂紋尺寸，分散壓力強度，減輕葉片的壓力整體實力，在恒定的周期性負(fù)載下，這些因素結(jié)合導(dǎo)致葉片失效。這樣累積的缺陷增加了部件失效的可能性，如果缺陷積累的很快，渦輪的運行壽命將大大縮短。應(yīng)該改進組件設(shè)計以確保組件可靠性和提高渦輪效率。

3 葉片設(shè)計

一個高效可靠的葉片設(shè)計將滿足以下需求 ：

（1）葉片材料必須有足夠的抗塑性變形的強度，必須是在溫度升高時候能夠保留這種抗屈強度。

（2）葉片材料必須能夠加工而且很容易（這是鈦合金的缺點之一，因為它們不容易焊接，生產(chǎn)成本昂貴）。

（3）葉片材料必須具有適度的彈性模數(shù)，使葉片不變形，并且在正常壓力下不斷裂。

（4）最好是低密度的葉片材料，能夠減輕離心力。

（5）葉片必須耐腐蝕，即使是在有侵略性離子溶液中。刀片必須以這樣的方式制造盡量減少裂紋的產(chǎn)生制造過程。

（6）葉片制造要盡量減少裂紋的產(chǎn)生。

Kiyoshi Segawa等人為汽輪機發(fā)明了一種新的旋翼葉片，新刀片的設(shè)計優(yōu)化了葉片根截面附近空氣動力學(xué)設(shè)計 ，從而降低了剖面和端壁損失。基于3 - d階段和空氣渦輪試驗的結(jié)果。

發(fā)現(xiàn)新的轉(zhuǎn)子葉片提高了效率約0.3%。此外，新設(shè)計的葉片設(shè)計能提高內(nèi)部效率，降低葉片制造成本15%。Walker和Hesketh已經(jīng)確定了通過優(yōu)化氣動參數(shù)包括熱降、葉片速度分布，表面光潔度和三維設(shè)計來提升效率。然而，優(yōu)化這些參數(shù)收到制造成本和機械的限制。 例如，葉片應(yīng)力的減小可通過使用重量輕的物料實現(xiàn)，像鈦合金，然而，這種合金不適合在高溫地環(huán)境使用，生產(chǎn)費用昂貴，因此，為了提高渦輪效率，需要一種介于成本與性能之間的折中方案必須建立。

雖然目前在渦輪機中使用的材料葉片具有一定程度的耐腐蝕性能，腐蝕的裂紋的幾乎不可避免的。為此，一直在進行研究某些化學(xué)涂料當(dāng)應(yīng)用在渦輪葉片上時，有效的防止葉片腐蝕。研究測試三種涂層（Ti + TiN、Cr + CrN、Cr +（CrTi）N），當(dāng)20X13鋼暴露在3% NaCl中，Cr + CrN涂層是最有效的，有效抵抗腐蝕解決方案。

新的葉片設(shè)計，允許蒸汽渦輪葉片抗溫高達攝氏六百三十度。由于計算機流體動力學(xué)的進步，葉片設(shè)計出更有效的蒸汽路徑。優(yōu)化根和尖區(qū)域，能將蒸汽通道的滲漏降到最低，這樣就可以產(chǎn)生一個更高效的蒸汽系統(tǒng)。新葉片設(shè)計方面也減少了泄漏和振動。提升了汽輪機的效率系統(tǒng)。這種新的葉片設(shè)計減少了熱應(yīng)力的影響。有效的抗腐蝕能力是提高葉片性能的關(guān)鍵設(shè)計。

參考文獻：

[1]盛德仁，任浩仁，陳堅紅等.汽輪發(fā)電機組DCS系統(tǒng)在線性能計算程序的剖析及改進[J].浙江大學(xué)學(xué)報，2000，4（06）：647-650.