汽輪機葉片技術研究

農(nóng)大強

摘 要：本文研究了應用特定空氣動力學材料設計的汽輪機葉片提高汽輪機運行效能， 論述導致渦輪葉片失效的因素。這篇論文枚舉并描述當前可用的提高發(fā)電機整體效率的技術和防止葉片侵蝕和開裂所導致渦輪機故障的方法。尤其是應用特殊材料，鈦合金和鋼，有效抑制了渦輪葉片的蠕變和斷裂。有效保護葉片暴露于濕氣流時受到腐蝕，葉片運轉形成的應力受氣流壓力，氣流溫度和旋轉運動引起的離心力的影響。

關鍵詞：葉片；效率；腐蝕；汽輪機、壓力

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.07.042

電力已經(jīng)成為現(xiàn)代社會生活基本所需，人們已經(jīng)習慣用電力提供自來水、供暖系統(tǒng)，商業(yè)網(wǎng)絡，制造業(yè)等等。這些例子說明現(xiàn)代社會很大程度上依賴電力。影響渦輪效率的一個重要因素就是葉片的設計。經(jīng)過一個世紀的發(fā)展，汽輪機效率從60%上升到90%，應用先進的葉片設計，可以提高渦輪效率。

1 葉片材料

用于渦輪葉片的材料是基于渦輪運轉的級別，分三個階段：高壓（HP）、中間壓力（IP）和低壓（LP），根據(jù)相關氣流壓力級別和溫度限定了不同級別應用的材料。高壓和中壓下的葉片一般由12Cr的martesitic不銹鋼制成，但在溫度高于450度的高壓和中壓下用不銹鋼制成，因為不銹鋼在高溫下有更好的性能。例如AISI422不銹鋼通常用于高壓和中壓渦輪機，而AISI300型號的不銹鋼用于高溫高壓葉片，也有由12Cr不銹鋼制成。常見的用于低壓的不銹鋼型號，包括AISI403、410、410-cb和630。要想精準的選擇低壓下葉片應用的材料，取決于強度和耐腐蝕性，自1960年以來，鈦合金，特別是ti - 6al - 4v常應用于低壓渦輪。 這些合金特別適合LP等級的葉片，是有很多原因的，首先鈦合金的密度小于鋼的密度，例如，ti - 6al - 4v的密度僅為4.43 g/cc，AISI 410S密度為7.8 g/cc，這種較低密度的合金可以延長低壓葉片的壽命，還能在不增加應力的情況下提升渦輪的功效。 其次，鈦合金比鋼具有更強的抗腐蝕性，LP級濕度更大，所以鈦合金更適合。最后，鈦合金有足夠的耐水性，可以在不受侵蝕的情況下使用。

葉片的截斷面上存在鍛造內(nèi)裂紋，可以推知葉片的鍛造質(zhì)量不良。抗拉強度和硬度數(shù)值分散度較大，說明材料的不均一性能。開裂葉片的抗拉強度、硬度都高壓國標數(shù)據(jù)，根據(jù)有關手冊的解說可以推論，葉片的熱處理工藝不過關。根據(jù)硬度數(shù)值大于等于254HB時對應的回火溫度低于600℃，推斷葉片的回火溫度低壓此溫度。這導致了馬氏體的分解成碳化物，降低了不銹鋼的耐腐蝕性能。

熱量凝結后傳遞轉子表面，熱能與其它形式能量轉換，推算出向量公式。過程復雜，溫度升高參數(shù)變化，熱應力的壽命損耗計算，轉軸的升溫，保持應力裕度，溫度的分布隨時間變化的載荷，設置時間曲線，與溫度曲線相互作用。大容量的汽輪機應用雙層杠結構，因此要減薄壁厚，放熱系數(shù)也隨著轉子的溫度表換，無論軸向還是徑向都較平緩。氣缸金屬溫度不下降，主溫度大概在在450℃以上，潤滑油溫度在40℃左右。最大溫度隨蒸汽溫度升高，專業(yè)到達滿負荷。停機時候主蒸汽要保持50℃的過熱度。

總的來說，材料的性質(zhì)決定了葉片的成敗，抗拉力，抗壓力，耐腐蝕性，彈性，決定葉片操作下的負載情況。

2 葉片承載

在核電廠，汽輪機渦輪的運行速度通常在 3000-3600rpm，在化工燃料廠通常為1500-1800rpm. 因為轉速相似，渦輪葉片產(chǎn)生的應力也相似，有兩種，靜電應力和離心式拉應力。彎曲應力、氣流彎曲載荷，氣流流動的不均勻引起的應力，葉片與渦輪機同步共振與運行，大部分的葉片應力產(chǎn)生于離心力。

3 離心彎曲應力

如果葉片截面的重力中心在不同高度和葉根的重力中心不在一條直線，則產(chǎn)生離心彎曲應力。因為離心力作用于這個區(qū)域的質(zhì)心和外圍。這導致了抗拉應力集中在葉片重心線的一側，另一種是壓應力。葉片設計師利用離心彎曲的作用來對抗氣流彎曲的影響。葉片設計旨在補償位于葉片尖端中心區(qū)域的氣流負荷。離心力作用于中心產(chǎn)生一個彎曲的力矩用于葉片壓彎荷載的相反方向。

4 載荷

當氣流流經(jīng)渦輪葉片時，氣流就會推動葉片使其彎曲從而產(chǎn)生所謂的氣流彎曲。像離心彎曲，氣流彎曲使葉片縱向彎曲，產(chǎn)生葉片拉伸和壓縮應力的區(qū)域。雖然氣流的運動確實引起了葉片彎曲，在葉片運動中產(chǎn)生的氣流彎曲的影響不像離心力的影響那么明顯。事實上，氣流彎曲應力通常只有離心應力的10%。反動式汽輪機的固定葉片受流動氣流的影響較大。因為在固定葉片上的氣流的力趨于葉片移向力的方向。因為葉片不能被氣流的應用力所取代，相反，他們會做出反應。氣流彎曲發(fā)生在HP，IP和LP三個層級，但在HP層級是最明顯的其中，葉片的壓力差最大。在LP層級，氣流彎曲也很突出因為LP葉片比HP或IP長得多。

5 動態(tài)壓力

動態(tài)應力是在渦輪葉片中產(chǎn)生的一些動能使葉片振動，這些動能來自非均勻流動。比如噴嘴-尾流的相互作用和結構特征干擾氣流流動。以及渦輪的運行速度。葉片振動導致葉片應力的波動，有時超過葉片材料能承受的程度。

如果應力波動幅度很小，應力不超過其應力能承受的材料，在給定的振幅，葉片經(jīng)歷高循環(huán)疲勞，導致它們在一個大的數(shù)量的周期之后突然失效。更大的應力波動幅度將會導致葉片更大的應力，并導致葉片失效的低循環(huán)疲勞周期相對較少。

本論文的研究旨在消除應力引起的疲勞，把脈沖和反動式渦輪的葉片空氣動力設計相比較，研究渦輪的功效。在此基礎上，本文總結出現(xiàn)有的汽輪機發(fā)電機葉片如何提高功效。最后討論了汽輪機發(fā)電機組的整體可持續(xù)發(fā)展，以及葉片設計對可持續(xù)發(fā)展發(fā)電機的影響。

參考文獻：

[1]張曦，趙旭，劉振亞等.基于核 Fisher 子空間特征提取的汽輪發(fā)電機組過程監(jiān)控與故障診斷[J].中國電機工程學報，2007，27（20）：1-6.