350MW汽輪機(jī)中壓級(jí)動(dòng)葉片兩種安裝工藝的分析比較

【摘 要】汽輪機(jī)動(dòng)葉片的安裝是實(shí)現(xiàn)其氣動(dòng)設(shè)計(jì)理念和保證汽輪機(jī)安全運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)，然而我國(guó)并沒有統(tǒng)一的汽輪機(jī)葉片安裝規(guī)程。通過對(duì)不同制造廠的中壓級(jí)動(dòng)葉片的基本結(jié)構(gòu)、安裝工藝和實(shí)際運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行分析比較，可以幫助制定合理的外包菌型葉根動(dòng)葉片的安裝工藝，為相關(guān)的設(shè)計(jì)、安裝和監(jiān)造人員提供有益的參考。

【關(guān)鍵詞】汽輪機(jī)；葉片；振動(dòng)；安裝工藝；緊力

1.事件簡(jiǎn)述

某電廠有兩臺(tái)350MW沖動(dòng)式汽輪機(jī)，型式為TC4F-26。2002年，1號(hào)汽輪機(jī)在大修中解體檢查發(fā)現(xiàn)中壓第1級(jí)動(dòng)葉片圍帶及鉚接榫頭磨損嚴(yán)重，根據(jù)廠家建議將葉片車短約3mm，更換了圍帶。2008年12月，1號(hào)汽輪機(jī)由A公司更換了中壓第一級(jí)動(dòng)葉片，葉片型線保持不變，恢復(fù)動(dòng)葉片設(shè)計(jì)葉高，表面噴涂Cr-C以提高其抗固體顆粒磨損性能。 新葉片安裝后運(yùn)行至2013年4月機(jī)組大修，經(jīng)解檢查未發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象。

2011年3月，該電廠2號(hào)汽輪機(jī)由B公司完成了高中壓部分通流改造，更換了高中壓轉(zhuǎn)子，高壓缸由8級(jí)改為10級(jí)，中壓缸由6級(jí)改為7級(jí)，葉片型線采用了具有更高氣動(dòng)效率的流型，圍帶由原來(lái)的分組鉚接式改為自帶冠整體圍帶，動(dòng)葉片仍采用外包菌型葉根。2012年3月，2號(hào)汽輪機(jī)在運(yùn)行中軸瓦振動(dòng)突變，其中1號(hào)軸瓦振動(dòng)由0.066mm上升到0.138mm，經(jīng)分析判斷為葉片斷裂[1][2]。停機(jī)檢查發(fā)現(xiàn)中壓第4級(jí)動(dòng)葉片有1片斷裂，2片于葉根處有宏觀裂紋，經(jīng)檢測(cè)另發(fā)現(xiàn)8片于葉根處有裂紋[3]。

經(jīng)初步分析認(rèn)為該級(jí)動(dòng)葉片安裝緊力沒有達(dá)到設(shè)計(jì)值，葉片在運(yùn)行中松動(dòng)、產(chǎn)生異常振動(dòng)，導(dǎo)致了葉片斷裂。為盡快恢復(fù)機(jī)組運(yùn)行，在本次臨時(shí)檢修中采取了如下技術(shù)措施：更換整級(jí)葉片，安裝過程中確保緊力達(dá)到設(shè)計(jì)值，將葉頂圍帶加厚、取消高低臺(tái)結(jié)構(gòu)、開燕尾槽、嵌入整圈燕尾帶以增加整圈葉片的剛性[4]。機(jī)組檢修后投運(yùn)至2012年10月，揭缸檢查未見異常。

同時(shí)，電廠委托專業(yè)機(jī)構(gòu)對(duì)斷裂和產(chǎn)生裂紋的舊葉片進(jìn)行了檢測(cè)、分析和計(jì)算。計(jì)算和分析結(jié)果顯示，導(dǎo)致葉片斷裂的充分、必要條件有兩個(gè)。一是動(dòng)葉片的第4階振動(dòng)頻率與噴嘴的Zn激振頻率的避開裕度不夠。二是因設(shè)計(jì)、制造、安裝等原因，該級(jí)動(dòng)葉片安裝緊力不夠，運(yùn)行中在溫度、離心力等作用下，葉片之間產(chǎn)生間隙。二者同時(shí)存在、相互作用，產(chǎn)生基本合拍的共振，導(dǎo)致葉片發(fā)生源于微動(dòng)磨損的高周疲勞斷裂[2][3]。

2012年10月，2號(hào)汽輪機(jī)高中壓缸進(jìn)行解體檢修。基于上述分析、計(jì)算結(jié)果，B公司采取了如下改進(jìn)措施：圍帶改為馬鞍形，同時(shí)增加厚度改變動(dòng)葉片頻率；改變噴嘴數(shù)量，以避開共振區(qū)；修訂安裝工藝以確保葉片整圈安裝緊力[5]。

2.外包菌型葉根動(dòng)葉片結(jié)構(gòu)[6]

該電廠的1號(hào)、2號(hào)汽輪機(jī)高中壓級(jí)均采用外包菌型葉根，其結(jié)構(gòu)示意圖（圖1）和動(dòng)葉片安裝示意圖（圖2、圖3）如下。

圖1外包菌型葉根示意圖

圖2 1號(hào)汽輪機(jī)高中壓級(jí)末葉片安裝示意圖

圖3 2號(hào)汽輪機(jī)中壓級(jí)葉片安裝示意圖

外包菌型葉根是一種較合理的葉根結(jié)構(gòu)，它能較充分的發(fā)揮葉片和葉輪材料的強(qiáng)度性能，可以有效的防止汽流及其夾雜物對(duì)葉輪的沖蝕，便于安裝；但是加工難度較大?，F(xiàn)在沖動(dòng)式汽輪機(jī)的高中壓級(jí)幾乎都采用外包菌型葉根，1號(hào)汽輪機(jī)中壓級(jí)動(dòng)葉片葉根槽頂沒有頂鍵槽，葉頂圍帶采用梯形與倒梯形的組合結(jié)構(gòu)，葉輪槽上開有安裝窗口一個(gè)。末葉片由騎縫圓柱銷來(lái)固定，騎縫銷共4支，分布于末葉片及其相鄰的4支葉片之間，如圖2。

2號(hào)汽輪機(jī)中壓級(jí)動(dòng)葉片葉根槽頂開有半圓鍵槽，安裝時(shí)打入頂鍵，以防止葉片因離心力過多甩出，葉頂圍帶采用馬鞍形結(jié)構(gòu)，葉輪槽上開有兩個(gè)安裝窗口，在葉輪上呈對(duì)稱布置。末葉片由穿過末葉片葉根中間部位并通過葉輪的2支圓錐銷來(lái)固定，如圖3。

3.中壓級(jí)外包菌型葉根動(dòng)葉片安裝工藝分析比較

3.1. A公司的葉片安裝工藝[7]

3.1.1.葉輪檢查修整。舊的動(dòng)葉片拆除后，將轉(zhuǎn)子上車床，對(duì)葉輪尺寸進(jìn)行檢查修整。廠家認(rèn)為葉輪槽在高溫和離心力的長(zhǎng)期作用下會(huì)產(chǎn)生變形，轉(zhuǎn)子上車床進(jìn)行尺寸檢測(cè)和修整是必要的。

3.1.2.葉片的安裝排序。將所有的葉片進(jìn)行稱重，然后根據(jù)其結(jié)果確定各葉片的安裝位置，用來(lái)調(diào)整窗口的加厚片應(yīng)在葉輪上均勻分布。不能平衡的殘余質(zhì)量可在超重葉片的葉根槽頂部進(jìn)行機(jī)加工去除。

3.1.3.葉片接觸檢查。抽取若干組相鄰的葉片進(jìn)行接觸檢查，要求在葉根部位有效接觸面積超過三分之二，一般不主張現(xiàn)場(chǎng)拂配。

3.1.4.葉片試裝。葉片葉根齒和葉輪槽之間的軸向和徑向的設(shè)計(jì)間隙均為0.03～0.05mm，正式安裝前抽取約10支葉片進(jìn)行試裝，用百分表測(cè)量徑、軸向間隙，以確認(rèn)葉片與輪槽的配合情況。

3.1.5.葉片安裝。每級(jí)葉輪設(shè)計(jì)有一個(gè)安裝窗口，先裝入與窗口末葉片成180度角處的葉片，然后分別從窗口向兩側(cè)裝入葉片。葉片的安裝順序應(yīng)與排序表相符合。葉片裝入時(shí)以小號(hào)銅錘敲擊葉頂，同時(shí)用手可滑動(dòng)葉片為宜，否則就需要檢查葉輪和葉片的配合情況。安裝過程中逐片確認(rèn)葉片之間的間隙小于0.03mm。

3.1.6.葉片減薄。安裝好除窗口處末葉片之外的所有葉片，確認(rèn)窗口位置正確、末葉片與窗口無(wú)干涉。從窗口處向兩邊撐緊葉片，再次確認(rèn)葉片之間的間隙小于0.03mm，測(cè)量窗口尺寸，拆出加厚片，分別均勻減薄。如一次未減薄到位，則需重復(fù)該步驟。

3.1.7.末葉片安裝。減薄工作完成后，裝入末葉片，鉆孔，鉸孔，打入銷子，沖鉚銷孔防松。銷子與銷孔的緊力為0.00～0.03mm。

3.1.8.機(jī)械加工。車外徑，加工葉頂密封槽、葉根處凸臺(tái)。

3.1.9.低速動(dòng)平衡。因不具備高速動(dòng)平衡的條件，只能在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行低速動(dòng)平衡。試驗(yàn)時(shí)轉(zhuǎn)速為180轉(zhuǎn)/分，兩端不平平衡質(zhì)量分別為9.23g，8.81g。

3.2.B公司的葉片安裝工藝[8]

3.2.1.葉片安裝排序。葉片未進(jìn)行稱重，加厚片均勻分布在兩個(gè)窗口的兩側(cè)，其它葉片則主要根據(jù)葉片的接觸情況來(lái)確定安裝順序，以減少拂配工作量。

3.2.2.葉片接觸檢查，拂配。檢查葉片接觸情況，要求接觸面積75%以上，否則需拂配至合格。

3.2.3.葉片試裝，配制頂鍵。試裝所有的葉片，測(cè)量配合間隙，配制頂鍵。

3.2.4.第一支末葉片定位。測(cè)量舊末葉銷孔的相對(duì)位置，在新末葉上預(yù)鉆孔，預(yù)鉸孔，制作工藝銷，安裝第一支末葉片。

3.2.5.安裝葉片。從第二個(gè)窗口按預(yù)定的順序裝入葉片，裝第一個(gè)窗口兩側(cè)的加厚葉片時(shí)用兩支備用標(biāo)準(zhǔn)葉片代替兩支加厚葉片分別裝在窗口的兩側(cè)。安裝時(shí)逐片裝入頂鍵并確認(rèn)葉根之間的間隙小于0.03mm、葉片的輻射線位置準(zhǔn)確。

3.2.6.撐緊，消除間隙。安裝完除第二支末葉片以外的所有葉片后，用專用楔形工裝在窗口處撐緊葉片至葉根之間的間隙為0。

3.2.7.測(cè)量，減薄加厚片。測(cè)量葉輪的窗口尺寸及銷孔的相對(duì)位置，根據(jù)二者的測(cè)量結(jié)果分別減薄第二個(gè)窗口兩側(cè)的加厚片，以盡量既保證新末葉片上的銷孔與葉輪上的舊銷孔對(duì)正，又能讓末葉片有0.80～1.0mm的安裝緊力。

3.2.8.安裝第二支末葉片。裝入第二個(gè)窗口處的末葉片，擴(kuò)鉸銷孔至葉輪與葉片同孔。為延長(zhǎng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的使用壽命，銷孔直徑的擴(kuò)大量以小于0.20mm為宜。鉸好銷孔后測(cè)量孔徑、配制錐銷，錘入。

3.2.9.重新安裝第一支末葉片，以形成設(shè)計(jì)的整圈緊力。拆出第一支末葉片和兩支代替加厚葉片裝入的備用標(biāo)準(zhǔn)葉片。將第一支末葉片安裝時(shí)換出的加厚葉片減薄成比標(biāo)準(zhǔn)葉片厚0.40～0.50mm的葉片，并將其分別裝于換下備用標(biāo)準(zhǔn)葉片的位置，以保證整圈葉片有1.6～2.0mm的安裝緊力。按原順序裝好其它葉片，用錘敲入第一支末葉片。

3.2.10.鉸銷孔，配制銷子。按前述末葉片銷孔鉸制要求鉸好銷孔，測(cè)量孔徑，配制錐銷，錘入，沖鉚所有錐銷的大頭端防松。

3.2.11.機(jī)械加工。車外徑，加工葉頂汽封齒。

3.2.12.高速動(dòng)平衡。進(jìn)行高速動(dòng)平衡，配重合格后軸頸處的振動(dòng)值分別為0.56mm/s和0.30mm/s，達(dá)到優(yōu)良水平。

3.3.比較與分析[6][9]

3.3.1.運(yùn)行結(jié)果分析。1號(hào)汽輪機(jī)中壓級(jí)葉片在安裝過程中并不強(qiáng)調(diào)安裝緊力，經(jīng)過4年多時(shí)間的運(yùn)行并未出現(xiàn)異常現(xiàn)象，可見其有效的抑制了葉片松動(dòng)可能帶來(lái)的危害。2號(hào)汽輪機(jī)中壓級(jí)葉片在安裝過程非常的重視安裝緊力的形成，但卻產(chǎn)生了葉片源于微動(dòng)磨損的高周波疲勞斷裂事件，說明葉片在運(yùn)行過程中產(chǎn)生了松動(dòng)，形成了共振并導(dǎo)致葉片斷裂。

3.3.2.動(dòng)葉片的結(jié)構(gòu)。1號(hào)機(jī)中壓級(jí)葉片的葉根槽頂部沒有頂銷，主要通過控制葉根與輪槽之間的間隙來(lái)防止葉片在旋轉(zhuǎn)時(shí)因離心力作用過多甩出，同時(shí)其葉頂圍帶采取梯形與倒梯形組合方式也能防止葉片因甩出而出現(xiàn)過度的松動(dòng)，但是葉片與葉輪之間的間隙小對(duì)加工精度提出了更高的要求，并且裝新葉片前需要對(duì)葉輪進(jìn)行準(zhǔn)確的檢測(cè)、修整。2號(hào)汽輪機(jī)中壓級(jí)葉片采用了頂鍵，安裝時(shí)就能消除葉片與葉輪槽之間的徑向間隙；葉頂圍帶采用馬鞍形結(jié)構(gòu)，當(dāng)葉片受蒸汽作用力發(fā)生扭轉(zhuǎn)時(shí)能抑制葉片的松動(dòng)；但是打入了頂鍵的葉片很難被拆下，所以加厚葉片就只能裝在窗口就近而不能均勻分布，另外葉片在工作時(shí)的扭轉(zhuǎn)量只能在理論上時(shí)行計(jì)算，實(shí)際扭轉(zhuǎn)量及其與負(fù)荷的關(guān)系較難得出準(zhǔn)確的數(shù)值。

3.3.3.排序方法。1號(hào)汽輪機(jī)中壓級(jí)葉片的排序主要根據(jù)稱重的結(jié)果進(jìn)行，殘余不平衡質(zhì)量需要加工去除，可以盡量減少無(wú)用質(zhì)量的存在。2號(hào)汽輪機(jī)中壓級(jí)葉片的排序則主要根據(jù)葉片的接觸情況進(jìn)行以減少拂配的工作量。

3.3.4.葉片徑向面接觸檢測(cè)。1號(hào)汽輪機(jī)中壓級(jí)葉片安裝過程中，只是抽查了接觸情況，并且不主張現(xiàn)場(chǎng)拂配，認(rèn)為接觸情況主要取決于葉片及葉輪本身的加工質(zhì)量而手工拂配較難保證精度。2號(hào)汽輪機(jī)中壓級(jí)葉片安裝過程中對(duì)所有葉片都進(jìn)行逐片檢測(cè)并對(duì)不符合要求的進(jìn)行拂配。

3.3.5.末葉片數(shù)量及其安裝方法。1號(hào)汽輪機(jī)中壓級(jí)每級(jí)葉輪有一個(gè)窗口，一支末葉片，末葉片通過4支不穿過葉輪的騎縫圓柱銷來(lái)固定。制作銷孔時(shí)較簡(jiǎn)單且不需要加工葉輪。2號(hào)汽輪機(jī)中壓級(jí)每級(jí)葉輪有兩個(gè)窗口，兩支末葉片每支末葉片由2支穿過葉輪的錐銷進(jìn)行固定，每次更換葉片時(shí)都要擴(kuò)大銷孔，不利于延長(zhǎng)轉(zhuǎn)子壽命，且操作較復(fù)雜。

3.3.6.安裝緊力的要求。1號(hào)汽輪機(jī)中壓級(jí)葉片安裝過程中并強(qiáng)調(diào)安裝緊力，只要求消除葉根與圍帶之間的間隙。2號(hào)汽輪機(jī)中壓級(jí)葉片安裝要求整周葉片要有1.6～2.0mm的安裝緊力，為此安裝的過程變得較為困難和復(fù)雜；尤其最后1支末葉片裝入時(shí)需用大錘砸入，易損傷葉片。

3.3.7.動(dòng)平衡方式。1號(hào)汽輪機(jī)在電廠附近的工廠更換葉片，沒有進(jìn)行高速動(dòng)平衡的專用設(shè)備，只有在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行低速動(dòng)平衡；而2號(hào)汽輪機(jī)葉片更換在制造廠進(jìn)行，進(jìn)行了高速動(dòng)平衡，其效果更為精確。

4.結(jié)論

4.1.從本質(zhì)安全的角度出發(fā)，汽輪級(jí)中壓級(jí)葉片的設(shè)計(jì)應(yīng)該同時(shí)考慮整圈葉片和單支葉片的頻率，從根本上消除共振的可能性，使葉片運(yùn)行時(shí)無(wú)論是處于整圈狀態(tài)還是單支狀態(tài)都能安全工作。

4.2.僅靠形成較大的安裝緊力來(lái)保證葉片在運(yùn)行時(shí)保持整圈狀態(tài)有較大的難度，應(yīng)該首先在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加工精度方面予以改進(jìn)。

4.3.末葉片固定方式采用騎縫銷比采用穿過葉輪的銷子更易于安裝，并且利于保護(hù)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子。

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[9]機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)編委會(huì). 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]， 第1卷. 北京. 機(jī)械工業(yè)出版社， 2004.8.

作者簡(jiǎn)介：

謝理達(dá)；1977年出生，男，漢族，祖籍湖南，學(xué)士，工程師，現(xiàn)擔(dān)任沙角B電廠機(jī)械維修汽機(jī)專工。