汽輪機(jī)葉片技術(shù)研究

農(nóng)大強(qiáng)

摘 要：本文研究了應(yīng)用特定空氣動(dòng)力學(xué)材料設(shè)計(jì)的汽輪機(jī)葉片提高汽輪機(jī)運(yùn)行效能， 論述導(dǎo)致渦輪葉片失效的因素。這篇論文枚舉并描述當(dāng)前可用的提高發(fā)電機(jī)整體效率的技術(shù)和防止葉片侵蝕和開(kāi)裂所導(dǎo)致渦輪機(jī)故障的方法。尤其是應(yīng)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(hù)葉片暴露于濕氣流時(shí)受到腐蝕，葉片運(yùn)轉(zhuǎn)形成的應(yīng)力受氣流壓力，氣流溫度和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)引起的離心力的影響。

關(guān)鍵詞：葉片；效率；腐蝕；汽輪機(jī)、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(huì)生活基本所需，人們已經(jīng)習(xí)慣用電力提供自來(lái)水、供暖系統(tǒng)，商業(yè)網(wǎng)絡(luò)，制造業(yè)等等。這些例子說(shuō)明現(xiàn)代社會(huì)很大程度上依賴電力。影響渦輪效率的一個(gè)重要因素就是葉片的設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)一個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，汽輪機(jī)效率從60%上升到90%，應(yīng)用先進(jìn)的葉片設(shè)計(jì)，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(yùn)轉(zhuǎn)的級(jí)別，分三個(gè)階段：高壓（HP）、中間壓力（IP）和低壓（LP），根據(jù)相關(guān)氣流壓力級(jí)別和溫度限定了不同級(jí)別應(yīng)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?yàn)椴讳P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(jī)，而AISI300型號(hào)的不銹鋼用于高溫高壓葉片，也有由12Cr不銹鋼制成。常見(jiàn)的用于低壓的不銹鋼型號(hào)，包括AISI403、410、410-cb和630。要想精準(zhǔn)的選擇低壓下葉片應(yīng)用的材料，取決于強(qiáng)度和耐腐蝕性，自1960年以來(lái)，鈦合金，特別是ti - 6al - 4v常應(yīng)用于低壓渦輪。 這些合金特別適合LP等級(jí)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(zhǎng)低壓葉片的壽命，還能在不增加應(yīng)力的情況下提升渦輪的功效。 其次，鈦合金比鋼具有更強(qiáng)的抗腐蝕性，LP級(jí)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?cái)嗝嫔洗嬖阱懺靸?nèi)裂紋，可以推知葉片的鍛造質(zhì)量不良?？估瓘?qiáng)度和硬度數(shù)值分散度較大，說(shuō)明材料的不均一性能。開(kāi)裂葉片的抗拉強(qiáng)度、硬度都高壓國(guó)標(biāo)數(shù)據(jù)，根據(jù)有關(guān)手冊(cè)的解說(shuō)可以推論，葉片的熱處理工藝不過(guò)關(guān)。根據(jù)硬度數(shù)值大于等于254HB時(shí)對(duì)應(yīng)的回火溫度低于600℃，推斷葉片的回火溫度低壓此溫度。這導(dǎo)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(jié)后傳遞轉(zhuǎn)子表面，熱能與其它形式能量轉(zhuǎn)換，推算出向量公式。過(guò)程復(fù)雜，溫度升高參數(shù)變化，熱應(yīng)力的壽命損耗計(jì)算，轉(zhuǎn)軸的升溫，保持應(yīng)力裕度，溫度的分布隨時(shí)間變化的載荷，設(shè)置時(shí)間曲線，與溫度曲線相互作用。大容量的汽輪機(jī)應(yīng)用雙層杠結(jié)構(gòu)，因此要減薄壁厚，放熱系數(shù)也隨著轉(zhuǎn)子的溫度表?yè)Q，無(wú)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(rùn)滑油溫度在40℃左右。最大溫度隨蒸汽溫度升高，專業(yè)到達(dá)滿負(fù)荷。停機(jī)時(shí)候主蒸汽要保持50℃的過(guò)熱度。

總的來(lái)說(shuō)，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(fù)載情況。

2 葉片承載

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

3 離心彎曲應(yīng)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(yīng)力。因?yàn)殡x心力作用于這個(gè)區(qū)域的質(zhì)心和外圍。這導(dǎo)致了抗拉應(yīng)力集中在葉片重心線的一側(cè)，另一種是壓應(yīng)力。葉片設(shè)計(jì)師利用離心彎曲的作用來(lái)對(duì)抗氣流彎曲的影響。葉片設(shè)計(jì)旨在補(bǔ)償位于葉片尖端中心區(qū)域的氣流負(fù)荷。離心力作用于中心產(chǎn)生一個(gè)彎曲的力矩用于葉片壓彎荷載的相反方向。

4 載荷

當(dāng)氣流流經(jīng)渦輪葉片時(shí)，氣流就會(huì)推動(dòng)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(yīng)力的區(qū)域。雖然氣流的運(yùn)動(dòng)確實(shí)引起了葉片彎曲，在葉片運(yùn)動(dòng)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(shí)上，氣流彎曲應(yīng)力通常只有離心應(yīng)力的10%。反動(dòng)式汽輪機(jī)的固定葉片受流動(dòng)氣流的影響較大。因?yàn)樵诠潭ㄈ~片上的氣流的力趨于葉片移向力的方向。因?yàn)槿~片不能被氣流的應(yīng)用力所取代，相反，他們會(huì)做出反應(yīng)。氣流彎曲發(fā)生在HP，IP和LP三個(gè)層級(jí)，但在HP層級(jí)是最明顯的其中，葉片的壓力差最大。在LP層級(jí)，氣流彎曲也很突出因?yàn)長(zhǎng)P葉片比HP或IP長(zhǎng)得多。

5 動(dòng)態(tài)壓力

動(dòng)態(tài)應(yīng)力是在渦輪葉片中產(chǎn)生的一些動(dòng)能使葉片振動(dòng)，這些動(dòng)能來(lái)自非均勻流動(dòng)。比如噴嘴-尾流的相互作用和結(jié)構(gòu)特征干擾氣流流動(dòng)。以及渦輪的運(yùn)行速度。葉片振動(dòng)導(dǎo)致葉片應(yīng)力的波動(dòng)，有時(shí)超過(guò)葉片材料能承受的程度。

如果應(yīng)力波動(dòng)幅度很小，應(yīng)力不超過(guò)其應(yīng)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(dǎo)致它們?cè)谝粋€(gè)大的數(shù)量的周期之后突然失效。更大的應(yīng)力波動(dòng)幅度將會(huì)導(dǎo)致葉片更大的應(yīng)力，并導(dǎo)致葉片失效的低循環(huán)疲勞周期相對(duì)較少。

本論文的研究旨在消除應(yīng)力引起的疲勞，把脈沖和反動(dòng)式渦輪的葉片空氣動(dòng)力設(shè)計(jì)相比較，研究渦輪的功效。在此基礎(chǔ)上，本文總結(jié)出現(xiàn)有的汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)葉片如何提高功效。最后討論了汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組的整體可持續(xù)發(fā)展，以及葉片設(shè)計(jì)對(duì)可持續(xù)發(fā)展發(fā)電機(jī)的影響。

參考文獻(xiàn)：

[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(jī)組過(guò)程監(jiān)控與故障診斷[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2007，27（20）：1-6.