汽轮机叶片设计

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.