汽轮机叶片

通过对10余个电厂叶片运行状况的调研及收集有关叶片运行资料，分析了上海汽轮机有限公司、哈尔滨汽轮机有限责任公司、东方汽轮机厂(简称上汽、哈汽、东汽) 等国产以及从美国、日本、前苏联和欧洲一些国家引进的300 MW 以上亚临界及超临界压力大功率汽轮机部分叶片故障。这些机组低压级叶片在实际运行过程中，由于种种原因在叶片、叶根、拉筋、围带及司太立合金片等部位经常发生故障，末级叶片的水冲蚀损伤相当普遍。这些故障基本上全面反映了我国大功率汽轮机叶片的现状 。

叶片是汽轮机的关键零件，又是最精细、最重要的零件之一。它在极苛刻的条件下承受高温、高压、巨大的离心力、蒸汽力、蒸汽激振力、腐蚀和振动以及湿蒸汽区水滴冲蚀的共同作用。其空气动力学性能、加工几何形状、表面粗糙度、安装间隙及运行工况、结垢等因素均影响汽轮机的效率、出力；其结构设计、振动强度及运行方式则对机组的安全可靠性起决定性的影响。因此，全世界最著名的几大制造集团无不坚持不懈地作出巨大努力，把最先进的科学技术成果应用于新型叶片的开发，不断推出一代比一代性能更优越的新叶片，以捍卫他们在汽轮机制造领域的先进地位。

在1986～1997年间我国电力工业得到持续、高速发展，电站汽轮机正在实现高参数大容量化。据统计，到1997年底，包括火电、核电在内的汽轮机装机容量已达到192 GW，其中火电250～300 MW机组128台，320.0～362.5 MW机组29台，500～660MW机组17台；200 MW及以下的机组也有很大发展，200～210MW机组188台，110～125 MW机组123台，100MW机组141台。核电汽轮机最大容量为900MW。

随着我国电站汽轮机大容量化，叶片的安全可靠性和保持其高效率愈显得重要。对于300 MW及600MW机组，每级叶片转换的功率高达10MW乃至20 MW左右，即使叶片发生轻微的损伤，所引起的汽轮机和整台火电机组的热经济性和安全可靠性的降低也是不容忽视的。例如，由于结垢使高压第1级喷嘴面积减少10%，机组的出力会减少3%，由于外来硬质异物打击叶片损伤以及固体粒子侵蚀叶片损伤，视其严重程度都可能使级效率降低1%～3%;如果叶片发生断裂，其后果是：轻的引起机组振动、通流部分动、静摩擦，同时损失效率；严重的会引起强迫停机，有时为更换叶片或修理被损坏的转子、静子需要几周到几个月时间;在某些情况下由于叶片损坏没有及时发现或及时处理，引起事故扩大至整台机组或由于末级叶片断裂引起机组不平衡振动，可能导致整台机组毁坏，其经济损失将以亿计，这样的例子，国内外并不罕见。

由多年积累的经验证明，每当有一大批新型汽轮机投入运行以后或在电力供需不平衡出现汽轮机在偏离设计工况长期运行时，由于设计、制造、安装、检修以及运行不当等方面的原因引起的叶片故障损伤便会充分暴露出来。如上所述我国电站大型汽轮机装机连续10 余年迅速增加，开始出现某些地区的大机组长期带低负荷运行的新情况，因此，很有必要及时调查研究、分析、总结叶片尤其是末级和调节级叶片发生的各种损伤及寻找规律，以期制定防范、改进措施，避免发生大的损失 。

汽轮机叶片受高温高压蒸汽的作用，工作中承受着较大的弯矩，高速运转中的动叶片还要承受很高的离心力；处于湿燕汽区的 叶片，特别是末级，要经受电化学腐蚀及水滴冲蚀动叶片还要承受很复杂的激振力。因此，叶片用钢应满足以下要求：

1.有足够的室温、高温力学性能和抗蠕变性能；

2.有高的抗振动衰减能力；

3.高的组织稳定性；

4.良好的耐腐蚀和抗冲蚀能力；

5.良好的工艺性能。

末级叶片型线下部出汽边的水冲蚀损伤是200MW、300 MW及600MW以上等大型汽轮机的共同问题。以往665、680、700mm叶片的出汽边都有明显的水冲蚀，而如今869、900、1000mm叶片以及进口机组的660、851mm等叶片出汽边也程度不同地出现水冲蚀损伤，末级叶片出汽边的水冲蚀损伤已成为影响大机组安全运行的普遍问题，应给予高度重视。

出汽边水冲蚀所造成的后果不仅使叶栅的气动性能恶化，级效率降低，更严重的是对汽轮机的安全运行造成威胁。水冲蚀形成的锯齿状毛刺造成应力集中以及减小叶型根部截面的面积，还会影响到叶片的振动特性，大大地削弱叶片的强度，这就增加了末级叶片断裂的危险性。

本项研究比较全面地反映了电力工业大型汽轮机叶片的安全状况，包括末级、次末级及其它一些叶片如调节级叶片和低压级叶片发生的大事故和一些频发性事故叶片及其防范和对策。所述叶片故障的原因大多数是由设计欠周到或制造质量问题引起的，而随着装机迅速扩大，由于安装、调试和运行方面引起的叶片损伤应高度重视 。2100433B

概括来讲，汽轮机末级叶片有3种结构形式，即自由叶片、成组叶片及由围带和/或拉筋连接的整圈叶片。从国内外汽轮机制造厂家来看，BBC、Allis-charmers、KWU等公司采用过自由叶片，美国通用电气、西屋公司、三菱、日立、列宁格勒金属工厂等多采用成组叶片。从动力学的观点来看，自由叶片流型好、应力集中强度较低、其振型少，而且易于计算，但其最大的缺点是对抗拉强度要求高，故叶根很宽，这样沿叶高的递减率很大，叶顶的挠性大，极容易产生颤振。成组叶片及整圈叶片是通过围带与叶顶铆接进行固定。当然围带也可以与叶片整锻而成，而后彼此焊接在一起。同样拉筋也可以和叶片锻成一体，或松拉筋型式。美国通用电气和西屋公司等采用的成组叶片为每组4只或6只不等，通过自身围带和阻尼拉筋连在一起。国内851mm和1016mm叶片为成组连接，680mm、710mm叶片为铆接整圈围带，拉筋为整圈松拉筋。

蒸汽在汽轮机内做功伴随着压力和温度的降低，体积的膨胀，由于最后一级的蒸汽压力最低，所需的容积流量也最高，因此末级叶片是汽轮机各级叶片中最长的一级，承受最大的离心力载荷和由此产生的应力。

末级叶片是汽轮机中的一个重要部件，它的工作环境复杂，其可靠性的影响因素众多，是一个复杂的多学科问题，它不仅与机械设计、空气动力学设计、材料成分设计有关，还与材料热处理工艺设计、材料生产控制、成品组装工艺及控制、环境因素等相关。在国内外汽轮机的运行过程中，都曾出现较多的末级叶片裂纹或断裂事故。究其原因是多样性的、复杂的。为了保证汽轮机的正常运转，有效减少和预防事故的发生，在汽轮机末级叶片正式投入使用之前，我们有必要对汽轮机末级叶片进行全面的微观组织结构和力学性能的分析，以确保其在投入使用后能正常运转，避免叶片过早的失效，有效提高汽轮机的可靠性和安全性。