劉曉豐

摘 要：汽輪機(jī)葉片在受到蠕變，腐蝕、損傷影響渦輪效率甚至導(dǎo)致停機(jī)，針對(duì)這些問題提出新的葉片設(shè)計(jì)方案，減少了熱應(yīng)力的影響。有效的抗腐蝕能力，提高葉片性能的。

關(guān)鍵詞：汽輪機(jī)葉片；設(shè)計(jì)；方案

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.07.049

我們國(guó)產(chǎn)化大型特大型轉(zhuǎn)子鍛件的能力快速提升。葉片需要滿足60年的壽命，而其承受巨大的離心力和扭轉(zhuǎn)力，運(yùn)行過程中會(huì)有很多因素導(dǎo)致其受損，如，調(diào)峰機(jī)組的頻繁啟動(dòng)、停機(jī)以及甩負(fù)荷，都會(huì)給轉(zhuǎn)子帶來交替變化的熱應(yīng)力，使其蠕變，熱疲勞。因此對(duì)葉片的工藝和材料，要求很高。

1 蠕變

渦輪葉片不斷受到高溫， 在HP和IP級(jí)別往往會(huì)使葉片材料軟化，結(jié)合離心力的影響，葉片就會(huì)變形。導(dǎo)致蠕變（緩慢而連續(xù)的變形）。材料變形的速率取決于溫度和應(yīng)力。這是一個(gè)尤其危險(xiǎn)的現(xiàn)象，因?yàn)槿~片是根據(jù)嚴(yán)格的規(guī)格制造，在一定的負(fù)載和環(huán)境下，才能運(yùn)行。由于蠕變，葉片的幾何形狀發(fā)生了變化，產(chǎn)生退化，會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性的破壞，這就是為什么必須為HP和IP葉片選擇高質(zhì)量材料的原因，這樣在高溫下仍然保持高產(chǎn)量。這種情況多是發(fā)生于反動(dòng)式汽輪機(jī)葉片，沖動(dòng)渦輪機(jī)與反動(dòng)式渦輪機(jī)葉片運(yùn)轉(zhuǎn)方式不同，導(dǎo)致，不同的葉片產(chǎn)生的應(yīng)力也是不同的。在反動(dòng)式汽輪機(jī)，蒸汽通過固定的葉片沒有壓降，氣流通過運(yùn)轉(zhuǎn)的葉片，通過噴嘴增加速度，當(dāng)汽流經(jīng)過轉(zhuǎn)子時(shí)，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。

2 葉片腐蝕

葉片的裂縫和表面粗糙度，甚至微觀尺度，高度，等各種問題的解決辦法。葉片材料經(jīng)過以上因素的影響對(duì)葉片結(jié)構(gòu)傷害很大。這些反應(yīng)通過腐蝕材料周圍存在的裂縫來擴(kuò)大裂縫，削弱了葉片。本質(zhì)上，腐蝕只發(fā)生于此葉片表面出現(xiàn)裂紋。此外蒸汽中的雜質(zhì)加速。根據(jù)Ryuichiro Ebara的論文中的研究表明，腐蝕裂紋始于12%鉻不銹鋼，80多種不同化合物包括氧化物、硅酸鹽和硫化物，均在渦輪葉片上的沉積物中發(fā)現(xiàn)。這些雜質(zhì)的性質(zhì)和濃度導(dǎo)致葉片疲勞強(qiáng)度急劇下降。Ebara氯化鈉和氫氧化鈉非常腐蝕性化合物，因此在減少葉片疲勞強(qiáng)度方面非常有效。例如，Ebara在他的研究中顯示，即使是很小的（3% 3 x10-2%）氯化鈉溶液濃度的大大降低了鋼的強(qiáng)度疲勞。

除濕范圍包括靜葉和動(dòng)葉，為了達(dá)到除濕效果，需要充分利用葉片的幾何結(jié)構(gòu)。在靜葉方面，有四種除濕結(jié)構(gòu)：（1）空心導(dǎo)葉尾緣開設(shè)吹掃縫，將較高壓蒸汽引進(jìn)導(dǎo)葉內(nèi)腔后，從尾緣吹掃縫噴出；（2）通過導(dǎo)葉空腔將水膜抽吸出流動(dòng)區(qū)域；（3）一種是在動(dòng)葉表面上銑出溝槽或者在動(dòng)葉葉頂加上葉冠，另一種上述結(jié)構(gòu)在動(dòng)葉片同時(shí)都有。（4）通過向葉輪空腔內(nèi)引進(jìn)熱量，加熱殼體，使水膜層蒸發(fā)，不能形成二次大水滴。除此之外，還可以在動(dòng)靜葉柵間加裝隔板裝置達(dá)到除濕的效果。

腐蝕主要發(fā)生在渦輪低壓期，因?yàn)闅鉁乇容^低，但在任何冷凝的領(lǐng)域都會(huì)有問題，當(dāng)高溫的階段渦輪機(jī)開始冷卻，為凝結(jié)提供了有利的條件，蒸汽在葉片上凝結(jié)，形成了表面的腐蝕坑和凹陷。這些對(duì)葉片損害很大，在正常負(fù)荷的壓力下，這些集中器會(huì)增加局部應(yīng)力，是葉片整體應(yīng)力的數(shù)倍。這些局部應(yīng)力的增加提供了一種材料結(jié)晶錯(cuò)位引動(dòng)的方法，導(dǎo)致葉片變形和裂紋擴(kuò)展。

最終，應(yīng)力、疲勞和腐蝕都是內(nèi)在相關(guān)的，應(yīng)力引起葉片的警惕結(jié)構(gòu)錯(cuò)位運(yùn)動(dòng)，形成裂縫，從而增加局部集中應(yīng)力，腐蝕通過與葉片材料的反應(yīng)在現(xiàn)有皺紋的周圍傳播裂紋，增大裂紋尺寸，分散壓力強(qiáng)度，減輕葉片的壓力整體實(shí)力，在恒定的周期性負(fù)載下，這些因素結(jié)合導(dǎo)致葉片失效。這樣累積的缺陷增加了部件失效的可能性，如果缺陷積累的很快，渦輪的運(yùn)行壽命將大大縮短。應(yīng)該改進(jìn)組件設(shè)計(jì)以確保組件可靠性和提高渦輪效率。

3 葉片設(shè)計(jì)

一個(gè)高效可靠的葉片設(shè)計(jì)將滿足以下需求 ：

（1）葉片材料必須有足夠的抗塑性變形的強(qiáng)度，必須是在溫度升高時(shí)候能夠保留這種抗屈強(qiáng)度。

（2）葉片材料必須能夠加工而且很容易（這是鈦合金的缺點(diǎn)之一，因?yàn)樗鼈儾蝗菀缀附?，生產(chǎn)成本昂貴）。

（3）葉片材料必須具有適度的彈性模數(shù)，使葉片不變形，并且在正常壓力下不斷裂。

（4）最好是低密度的葉片材料，能夠減輕離心力。

（5）葉片必須耐腐蝕，即使是在有侵略性離子溶液中。刀片必須以這樣的方式制造盡量減少裂紋的產(chǎn)生制造過程。

（6）葉片制造要盡量減少裂紋的產(chǎn)生。

Kiyoshi Segawa等人為汽輪機(jī)發(fā)明了一種新的旋翼葉片，新刀片的設(shè)計(jì)優(yōu)化了葉片根截面附近空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì) ，從而降低了剖面和端壁損失?；? - d階段和空氣渦輪試驗(yàn)的結(jié)果。

發(fā)現(xiàn)新的轉(zhuǎn)子葉片提高了效率約0.3%。此外，新設(shè)計(jì)的葉片設(shè)計(jì)能提高內(nèi)部效率，降低葉片制造成本15%。Walker和Hesketh已經(jīng)確定了通過優(yōu)化氣動(dòng)參數(shù)包括熱降、葉片速度分布，表面光潔度和三維設(shè)計(jì)來提升效率。然而，優(yōu)化這些參數(shù)收到制造成本和機(jī)械的限制。 例如，葉片應(yīng)力的減小可通過使用重量輕的物料實(shí)現(xiàn)，像鈦合金，然而，這種合金不適合在高溫地環(huán)境使用，生產(chǎn)費(fèi)用昂貴，因此，為了提高渦輪效率，需要一種介于成本與性能之間的折中方案必須建立。

雖然目前在渦輪機(jī)中使用的材料葉片具有一定程度的耐腐蝕性能，腐蝕的裂紋的幾乎不可避免的。為此，一直在進(jìn)行研究某些化學(xué)涂料當(dāng)應(yīng)用在渦輪葉片上時(shí)，有效的防止葉片腐蝕。研究測(cè)試三種涂層（Ti + TiN、Cr + CrN、Cr +（CrTi）N），當(dāng)20X13鋼暴露在3% NaCl中，Cr + CrN涂層是最有效的，有效抵抗腐蝕解決方案。

新的葉片設(shè)計(jì)，允許蒸汽渦輪葉片抗溫高達(dá)攝氏六百三十度。由于計(jì)算機(jī)流體動(dòng)力學(xué)的進(jìn)步，葉片設(shè)計(jì)出更有效的蒸汽路徑。優(yōu)化根和尖區(qū)域，能將蒸汽通道的滲漏降到最低，這樣就可以產(chǎn)生一個(gè)更高效的蒸汽系統(tǒng)。新葉片設(shè)計(jì)方面也減少了泄漏和振動(dòng)。提升了汽輪機(jī)的效率系統(tǒng)。這種新的葉片設(shè)計(jì)減少了熱應(yīng)力的影響。有效的抗腐蝕能力是提高葉片性能的關(guān)鍵設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)：

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