汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片的侵蝕行為及機(jī)理

吳闖

摘要：濕蒸汽流動造成的侵蝕降低了凝汽式汽輪機(jī)末級動葉的效率，使其使用壽命縮短。迄今為止，關(guān)于汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片在運(yùn)行過程中受侵蝕過程的資料不足，這些資料可作為建立和驗(yàn)證受侵蝕轉(zhuǎn)子葉片壽命估算數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)。本文回顧了多年來對凝汽式汽輪機(jī)動葉侵蝕過程規(guī)律及其機(jī)理的監(jiān)測和研究成果。根據(jù)得到的動葉侵蝕過程規(guī)律和簡化模型，估算了動葉的使用壽命

關(guān)鍵詞：汽輪機(jī);葉片;侵蝕

1 簡介

盡管目前已知和應(yīng)用了各種保護(hù)方法，由于運(yùn)行過程中水滴的撞擊作用，但侵蝕會對凝汽式渦輪機(jī)最強(qiáng)的末級轉(zhuǎn)子葉片造成相當(dāng)大的損害。汽輪機(jī)末級動葉的使用壽命取決于葉片材料的防蝕方法、蒸汽濕度，而運(yùn)行條件在長時間的運(yùn)行過程中會發(fā)生變化。由于轉(zhuǎn)子葉片的使用壽命差異很大，操作人員無法輕易安排更換或維修轉(zhuǎn)子葉片。到目前為止，在專業(yè)文獻(xiàn)中還沒有合適的方法和模型來確定使用壽命，可以更廣泛地使用，并具有可接受的準(zhǔn)確性。以往對壽命的調(diào)查和提出的模型]原則上是針對特定情況，不能用于一般情況。為了幫助估算轉(zhuǎn)子葉片的壽命，本文對210mw凝汽式汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片的侵蝕過程和機(jī)理進(jìn)行了長期監(jiān)測和分析。給出了末級動葉的累積侵蝕過程，并在簡化模型的基礎(chǔ)上估算了其壽命。

2 渦輪機(jī)和測量轉(zhuǎn)子葉片侵蝕概述

對16臺210mw汽輪機(jī)末級動葉的沖蝕過程進(jìn)行了研究。它們是脈沖式渦輪機(jī)，包含高壓、中壓和雙流低壓。由于水滴的撞擊，動葉前緣的侵蝕最嚴(yán)重的區(qū)域發(fā)生在B區(qū)，倒數(shù)第二雙葉片低壓級是根據(jù)鮑曼原理將一部分蒸汽直接送入冷凝器。末級動葉長度為765 mm，平均直徑為2100 mm。末級靜葉有60片，末級動葉有94片。末級動葉葉尖剖面弦長為99 mm。最后一級動葉的前緣由鎢鉻鈷合金板保護(hù)，從葉尖到葉根的長度為320毫米，沿葉片固定。

葉片的鎢鉻鈷合金保護(hù)由10個鍍銀板焊接到基材。鎢鉻鈷合金板長33毫米，寬12毫米，厚1.5毫米。板材由鎢鉻鈷合金6制成，其硬度為421 HVlO，而葉片襯底材料為DIN X20Cr13。在設(shè)計(jì)操作條件下，汽輪機(jī)入口的蒸汽壓力為808 K （535 “ C）下的12.8 MPa。蒸汽在2.3 MPa下再加熱至808 K （535 “ C）。中壓套管排出處蒸汽壓力為0.13 MPa。末級上游蒸汽壓力為15kpa，動葉上游蒸汽壓力為8.0 kPa。在冷卻水溫度為288 K （15 “ C）時，汽輪機(jī)末級排放的蒸汽壓力為4 kPa。末級上游蒸汽濕度為1.7%，動葉上游為3.8%，動葉下游為5.7%。渦輪末級的反應(yīng)速率為5 1.4%。外圍速度與虛擬速度之比為u/cf=O.598。蒸汽絕對速度ci =450m s-i。絕對出口速度的角度是（Y， = 18 “ 33 ‘。進(jìn)入轉(zhuǎn)子葉柵的蒸汽速度為175ms- ‘。末級外圍速度平均直徑為u = 330 m s- ‘，動葉葉尖為450 m s- ‘。汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為50 s- i，進(jìn)入汽輪機(jī)的蒸汽量為180 kg s-（650 t h-i）。在低壓下，21.53 kg s- ‘ （77.5 t hh ‘）的蒸汽直接從鮑曼級進(jìn)入濃縮器。通過汽輪機(jī)最后一級，38.33 kg s- ‘ （138 t hh ‘）的蒸汽被帶到冷凝器。該汽輪機(jī)有7個不規(guī)則的蒸汽抽汽回?zé)峤o水加熱。

為了確定侵蝕過程的最后階段轉(zhuǎn)子葉片（部分受到最高的侵蝕率攻擊）和評估未來性的操作，全面測量定子和侵蝕破壞進(jìn)行了分析。測量內(nèi)容包括：轉(zhuǎn)子葉片前緣剖面弦長、鎢鉻鈷合金板彈坑和點(diǎn)蝕損傷的長度和寬度以及葉片基材的厚度。為了獲得準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，對選定的7片動葉進(jìn)行了侵蝕測量，并對低壓渦輪各末級輪周進(jìn)行了觀測。在此基礎(chǔ)上，計(jì)算了汽輪機(jī)運(yùn)行一定周期內(nèi)各測量參數(shù)的平均值。采用專門設(shè)計(jì)的彈坑深度滑動卡尺測量了旋翼葉型弦面損傷和彈坑深度。測量誤差可達(dá)0.1 mm。用鋼尺測量了彈坑和點(diǎn)蝕損傷的長度，誤差可達(dá)10mm?？紤]到轉(zhuǎn)子葉片累積侵蝕損傷與渦輪周期的相關(guān)性，對測量參數(shù)進(jìn)行了分析。用附圖比例尺拍攝了渦輪末級動葉的典型沖蝕損傷情況。每次進(jìn)行轉(zhuǎn)子葉片沖蝕測量時，分析了在兩次測量之間汽輪機(jī)運(yùn)行的蒸汽和負(fù)荷參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，研究分析了水輪機(jī)運(yùn)行方式對沖蝕過程的影響。對被腐蝕的轉(zhuǎn)子葉片進(jìn)行了截面分析，研究了其腐蝕機(jī)理。用光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡進(jìn)行顯微檢查。

3 結(jié)果討論

對凝汽式汽輪機(jī)末級渦輪葉片侵蝕的長期（超過10年）測量和監(jiān)測結(jié)果。表明葉片前緣型線弦的侵蝕損傷、葉型線弦的損傷長度）以及彈坑和點(diǎn)蝕損傷的長度，平均損傷隨渦輪運(yùn)行時間的變化很少。210 MW汽輪機(jī)末級動葉前緣在侵蝕過程第2區(qū)和第3區(qū)開始時的侵蝕破壞，根據(jù)測量結(jié)果和監(jiān)測結(jié)果，將轉(zhuǎn)子葉片沖蝕過程劃分為三個沖蝕特征區(qū)。第1區(qū)葉片材料損傷不明顯，第2區(qū)侵蝕速率最大，第3區(qū)侵蝕速率較低。在動葉沖蝕損傷與渦輪運(yùn)行時間關(guān)系圖中，由于數(shù)據(jù)點(diǎn)不足，對沖蝕過程的第一和第二區(qū)域進(jìn)行了近似，渦輪的末級動葉在其使用壽命期間，大多運(yùn)行在侵蝕過程的第三減速區(qū)域。第三區(qū)域的侵蝕過程被確定為近似線性的。這些渦輪的彈坑和點(diǎn)蝕破壞迅速地破壞了從葉尖到葉片根部的整個前緣背面。從葉片頂端向根部移動，該區(qū)域的侵蝕坑和凹坑尺寸減小;在葉片根部，侵蝕損傷呈現(xiàn)出幾乎看不見的小斑點(diǎn)。這可以解釋為從葉尖到根部的濕蒸汽中水滴的大小和濃度降低。前緣背面的彈坑和點(diǎn)蝕損傷雖然幾乎到了葉根，但對動葉的可靠性和使用壽命幾乎沒有影響。葉片前緣型線弦的損傷強(qiáng)度對渦輪末級動葉的可靠性和使用壽命至關(guān)重要。

參考文獻(xiàn)：

[1]李文杰，繆立波，揭念柱，張智. 汽輪機(jī)葉片銹蝕原因分析 [J]. ?理化檢驗(yàn)（物理分冊）. 2011（03）