汽轮机叶片技术研究

农大强

摘 要：本文研究了应用特定空气动力学材料设计的汽轮机叶片提高汽轮机运行效能， 论述导致涡轮叶片失效的因素。这篇论文枚举并描述当前可用的提高发电机整体效率的技术和防止叶片侵蚀和开裂所导致涡轮机故障的方法。尤其是应用特殊材料，钛合金和钢，有效抑制了涡轮叶片的蠕变和断裂。有效保护叶片暴露于湿气流时受到腐蚀，叶片运转形成的应力受气流压力，气流温度和旋转运动引起的离心力的影响。

关键词：叶片；效率；腐蚀；汽轮机、压力

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

电力已经成为现代社会生活基本所需，人们已经习惯用电力提供自来水、供暖系统，商业网络，制造业等等。这些例子说明现代社会很大程度上依赖电力。影响涡轮效率的一个重要因素就是叶片的设计。经过一个世纪的发展，汽轮机效率从60%上升到90%，应用先进的叶片设计，可以提高涡轮效率。

1 叶片材料

用于涡轮叶片的材料是基于涡轮运转的级别，分三个阶段：高压（HP）、中间压力（IP）和低压（LP），根据相关气流压力级别和温度限定了不同级别应用的材料。高压和中压下的叶片一般由12Cr的martesitic不锈钢制成，但在温度高于450度的高压和中压下用不锈钢制成，因为不锈钢在高温下有更好的性能。例如AISI422不锈钢通常用于高压和中压涡轮机，而AISI300型号的不锈钢用于高温高压叶片，也有由12Cr不锈钢制成。常见的用于低压的不锈钢型号，包括AISI403、410、410-cb和630。要想精准的选择低压下叶片应用的材料，取决于强度和耐腐蚀性，自1960年以来，钛合金，特别是ti - 6al - 4v常应用于低压涡轮。 这些合金特别适合LP等级的叶片，是有很多原因的，首先钛合金的密度小于钢的密度，例如，ti - 6al - 4v的密度仅为4.43 g/cc，AISI 410S密度为7.8 g/cc，这种较低密度的合金可以延长低压叶片的寿命，还能在不增加应力的情况下提升涡轮的功效。 其次，钛合金比钢具有更强的抗腐蚀性，LP级湿度更大，所以钛合金更适合。最后，钛合金有足够的耐水性，可以在不受侵蚀的情况下使用。

叶片的截断面上存在锻造内裂纹，可以推知叶片的锻造质量不良。抗拉强度和硬度数值分散度较大，说明材料的不均一性能。开裂叶片的抗拉强度、硬度都高压国标数据，根据有关手册的解说可以推论，叶片的热处理工艺不过关。根据硬度数值大于等于254HB时对应的回火温度低于600℃，推断叶片的回火温度低压此温度。这导致了马氏体的分解成碳化物，降低了不锈钢的耐腐蚀性能。

热量凝结后传递转子表面，热能与其它形式能量转换，推算出向量公式。过程复杂，温度升高参数变化，热应力的寿命损耗计算，转轴的升温，保持应力裕度，温度的分布随时间变化的载荷，设置时间曲线，与温度曲线相互作用。大容量的汽轮机应用双层杠结构，因此要减薄壁厚，放热系数也随着转子的温度表换，无论轴向还是径向都较平缓。气缸金属温度不下降，主温度大概在在450℃以上，润滑油温度在40℃左右。最大温度随蒸汽温度升高，专业到达满负荷。停机时候主蒸汽要保持50℃的过热度。

总的来说，材料的性质决定了叶片的成败，抗拉力，抗压力，耐腐蚀性，弹性，决定叶片操作下的负载情况。

2 叶片承载

在核電厂，汽轮机涡轮的运行速度通常在 3000-3600rpm，在化工燃料厂通常为1500-1800rpm. 因为转速相似，涡轮叶片产生的应力也相似，有两种，静电应力和离心式拉应力。弯曲应力、气流弯曲载荷，气流流动的不均匀引起的应力，叶片与涡轮机同步共振与运行，大部分的叶片应力产生于离心力。

3 离心弯曲应力

如果叶片截面的重力中心在不同高度和叶根的重力中心不在一条直线，则产生离心弯曲应力。因为离心力作用于这个区域的质心和外围。这导致了抗拉应力集中在叶片重心线的一侧，另一种是压应力。叶片设计师利用离心弯曲的作用来对抗气流弯曲的影响。叶片设计旨在补偿位于叶片尖端中心区域的气流负荷。离心力作用于中心产生一个弯曲的力矩用于叶片压弯荷载的相反方向。

4 载荷

当气流流经涡轮叶片时，气流就会推动叶片使其弯曲从而产生所谓的气流弯曲。像离心弯曲，气流弯曲使叶片纵向弯曲，产生叶片拉伸和压缩应力的区域。虽然气流的运动确实引起了叶片弯曲，在叶片运动中产生的气流弯曲的影响不像离心力的影响那么明显。事实上，气流弯曲应力通常只有离心应力的10%。反动式汽轮机的固定叶片受流动气流的影响较大。因为在固定叶片上的气流的力趋于叶片移向力的方向。因为叶片不能被气流的应用力所取代，相反，他们会做出反应。气流弯曲发生在HP，IP和LP三个层级，但在HP层级是最明显的其中，叶片的压力差最大。在LP层级，气流弯曲也很突出因为LP叶片比HP或IP长得多。

5 动态压力

动态应力是在涡轮叶片中产生的一些动能使叶片振动，这些动能来自非均匀流动。比如喷嘴-尾流的相互作用和结构特征干扰气流流动。以及涡轮的运行速度。叶片振动导致叶片应力的波动，有时超过叶片材料能承受的程度。

如果应力波动幅度很小，应力不超过其应力能承受的材料，在给定的振幅，叶片经历高循环疲劳，导致它们在一个大的数量的周期之后突然失效。更大的应力波动幅度将会导致叶片更大的应力，并导致叶片失效的低循环疲劳周期相对较少。

本论文的研究旨在消除应力引起的疲劳，把脉冲和反动式涡轮的叶片空气动力设计相比较，研究涡轮的功效。在此基础上，本文总结出现有的汽轮机发电机叶片如何提高功效。最后讨论了汽轮机发电机组的整体可持续发展，以及叶片设计对可持续发展发电机的影响。

参考文献：

[1]张曦，赵旭，刘振亚等.基于核 Fisher 子空间特征提取的汽轮发电机组过程监控与故障诊断[J].中国电机工程学报，2007，27（20）：1-6.