汽轮机叶片设计
2018-03-30刘晓丰
刘晓丰
摘 要:汽轮机叶片在受到蠕变,腐蚀、损伤影响涡轮效率甚至导致停机,针对这些问题提出新的叶片设计方案,减少了热应力的影响。有效的抗腐蚀能力,提高叶片性能的。
关键词:汽轮机叶片;设计;方案
DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.07.049
我们国产化大型特大型转子锻件的能力快速提升。叶片需要满足60年的寿命,而其承受巨大的离心力和扭转力,运行过程中会有很多因素导致其受损,如,调峰机组的频繁启动、停机以及甩负荷,都会给转子带来交替变化的热应力,使其蠕变,热疲劳。因此对叶片的工艺和材料,要求很高。
1 蠕变
涡轮叶片不断受到高温, 在HP和IP级别往往会使叶片材料软化,结合离心力的影响,叶片就会变形。导致蠕变(缓慢而连续的变形)。材料变形的速率取决于温度和应力。这是一个尤其危险的现象,因为叶片是根据严格的规格制造,在一定的负载和环境下,才能运行。由于蠕变,叶片的几何形状发生了变化,产生退化,会导致灾难性的破坏,这就是为什么必须为HP和IP叶片选择高质量材料的原因,这样在高温下仍然保持高产量。这种情况多是发生于反动式汽轮机叶片,冲动涡轮机与反动式涡轮机叶片运转方式不同,导致,不同的叶片产生的应力也是不同的。在反动式汽轮机,蒸汽通过固定的叶片没有压降,气流通过运转的叶片,通过喷嘴增加速度,当汽流经过转子时,使转子转动。
2 叶片腐蚀
叶片的裂缝和表面粗糙度,甚至微观尺度,高度,等各种问题的解决办法。叶片材料经过以上因素的影响对叶片结构伤害很大。这些反应通过腐蚀材料周围存在的裂缝来扩大裂缝,削弱了叶片。本质上,腐蚀只发生于此叶片表面出现裂纹。此外蒸汽中的杂质加速。根据Ryuichiro Ebara的论文中的研究表明,腐蚀裂纹始于12%铬不锈钢,80多种不同化合物包括氧化物、硅酸盐和硫化物,均在涡轮叶片上的沉积物中发现。这些杂质的性质和浓度导致叶片疲劳强度急剧下降。Ebara氯化钠和氢氧化钠非常腐蚀性化合物,因此在减少叶片疲劳强度方面非常有效。例如,Ebara在他的研究中显示,即使是很小的(3% 3 x10-2%)氯化钠溶液浓度的大大降低了钢的强度疲劳。
除湿范围包括静叶和动叶,為了达到除湿效果,需要充分利用叶片的几何结构。在静叶方面,有四种除湿结构:(1)空心导叶尾缘开设吹扫缝,将较高压蒸汽引进导叶内腔后,从尾缘吹扫缝喷出;(2)通过导叶空腔将水膜抽吸出流动区域;(3)一种是在动叶表面上铣出沟槽或者在动叶叶顶加上叶冠,另一种上述结构在动叶片同时都有。(4)通过向叶轮空腔内引进热量,加热壳体,使水膜层蒸发,不能形成二次大水滴。除此之外,还可以在动静叶栅间加装隔板装置达到除湿的效果。
腐蚀主要发生在涡轮低压期,因为气温比较低,但在任何冷凝的领域都会有问题,当高温的阶段涡轮机开始冷却,为凝结提供了有利的条件,蒸汽在叶片上凝结,形成了表面的腐蚀坑和凹陷。这些对叶片损害很大,在正常负荷的压力下,这些集中器会增加局部应力,是叶片整体应力的数倍。这些局部应力的增加提供了一种材料结晶错位引动的方法,导致叶片变形和裂纹扩展。
最终,应力、疲劳和腐蚀都是内在相关的,应力引起叶片的警惕结构错位运动,形成裂缝,从而增加局部集中应力,腐蚀通过与叶片材料的反应在现有皱纹的周围传播裂纹,增大裂纹尺寸,分散压力强度,减轻叶片的压力整体实力,在恒定的周期性负载下,这些因素结合导致叶片失效。这样累积的缺陷增加了部件失效的可能性,如果缺陷积累的很快,涡轮的运行寿命将大大缩短。应该改进组件设计以确保组件可靠性和提高涡轮效率。
3 叶片设计
一个高效可靠的叶片设计将满足以下需求 :
(1)叶片材料必须有足够的抗塑性变形的强度,必须是在温度升高时候能够保留这种抗屈强度。
(2)叶片材料必须能够加工而且很容易(这是钛合金的缺点之一,因为它们不容易焊接,生产成本昂贵)。
(3)叶片材料必须具有适度的弹性模数,使叶片不变形,并且在正常压力下不断裂。
(4)最好是低密度的叶片材料,能够减轻离心力。
(5)叶片必须耐腐蚀,即使是在有侵略性离子溶液中。刀片必须以这样的方式制造尽量减少裂纹的产生制造过程。
(6)叶片制造要尽量减少裂纹的产生。
Kiyoshi Segawa等人为汽轮机发明了一种新的旋翼叶片,新刀片的设计优化了叶片根截面附近空气动力学设计 ,从而降低了剖面和端壁损失。基于3 - d阶段和空气涡轮试验的结果。
发现新的转子叶片提高了效率约0.3%。此外,新设计的叶片设计能提高内部效率,降低叶片制造成本15%。Walker和Hesketh已经确定了通过优化气动参数包括热降、叶片速度分布,表面光洁度和三维设计来提升效率。然而,优化这些参数收到制造成本和机械的限制。 例如,叶片应力的减小可通过使用重量轻的物料实现,像钛合金,然而,这种合金不适合在高温地环境使用,生产费用昂贵,因此,为了提高涡轮效率,需要一种介于成本与性能之间的折中方案必须建立。
虽然目前在涡轮机中使用的材料叶片具有一定程度的耐腐蚀性能,腐蚀的裂纹的几乎不可避免的。为此,一直在进行研究某些化学涂料当应用在涡轮叶片上时,有效的防止叶片腐蚀。研究测试三种涂层(Ti + TiN、Cr + CrN、Cr +(CrTi)N),当20X13钢暴露在3% NaCl中,Cr + CrN涂层是最有效的,有效抵抗腐蚀解决方案。
新的叶片设计,允许蒸汽涡轮叶片抗温高达摄氏六百三十度。由于计算机流体动力学的进步,叶片设计出更有效的蒸汽路径。优化根和尖区域,能将蒸汽通道的渗漏降到最低,这样就可以产生一个更高效的蒸汽系统。新叶片设计方面也减少了泄漏和振动。提升了汽轮机的效率系统。这种新的叶片设计减少了热应力的影响。有效的抗腐蚀能力是提高叶片性能的关键设计。
参考文献:
[1]盛德仁,任浩仁,陈坚红等.汽轮发电机组DCS系统在线性能计算程序的剖析及改进[J].浙江大学学报,2000,4(06):647-650.