汽輪機末級葉片

汽輪機末級葉片指汽輪機內蒸汽過程的最後一級葉片，通常指汽機低壓缸的最後一級葉片。

基本介紹

• 中文名：汽輪機末級葉片
• 外文名：Last stage blade of steam turbine
• 簡介：承受最大應力
• 套用：汽輪機中的重要部件

概述

蒸汽在汽輪機內做功伴隨著壓力和溫度的降低，體積的膨脹，由於最後一級的蒸汽壓力最低，所需的容積流量也最高，因此末級葉片是汽輪機各級葉片中最長的一級，承受最大的離心力載荷和由此產生的應力。

末級葉片是汽輪機中的一個重要部件，它的工作環境複雜，其可靠性的影響因素眾多，是一個複雜的多學科問題，它不僅與機械設計、空氣動力學設計、材料成分設計有關，還與材料熱處理工藝設計、材料生產控制、成品組裝工藝及控制、環境因素等相關。在國內外汽輪機的運行過程中，都曾出現較多的末級葉片裂紋或斷裂事故。究其原因是多樣性的、複雜的。為了保證汽輪機的正常運轉，有效減少和預防事故的發生，在汽輪機末級葉片正式投入使用之前，我們有必要對汽輪機末級葉片進行全面的微觀組織結構和力學性能的分析，以確保其在投入使用後能正常運轉，避免葉片過早的失效，有效提高汽輪機的可靠性和安全性。

結構形式

概括來講，汽輪機末級葉片有3種結構形式，即自由葉片、成組葉片及由圍帶和/或拉筋連線的整圈葉片。從國內外汽輪機製造廠家來看，BBC、Allis-charmers、KWU等公司採用過自由葉片，美國通用電氣、西屋公司、三菱、日立、列寧格勒金屬工廠等多採用成組葉片。從動力學的觀點來看，自由葉片流型好、應力集中強度較低、其振型少，而且易於計算，但其最大的缺點是對抗拉強度要求高，故葉根很寬，這樣沿葉高的遞減率很大，葉頂的撓性大，極容易產生顫振。成組葉片及整圈葉片是通過圍帶與葉頂鉚接進行固定。當然圍帶也可以與葉片整鍛而成，而後彼此焊接在一起。同樣拉筋也可以和葉片鍛成一體，或松拉筋型式。美國通用電氣和西屋公司等採用的成組葉片為每組4隻或6隻不等，通過自身圍帶和阻尼拉筋連在一起。國內851mm和1016mm葉片為成組連線，680mm、710mm葉片為鉚接整圈圍帶，拉筋為整圈松拉筋。

?與葉輪相銜接的葉根有倒T型、雙倒T型、外包菌型、樅樹型及叉型。美國通用電氣公司及西屋公司多採用樅樹型葉根，國內200MW機的末級葉片葉根為五叉型和七叉型，通過定位銷與葉輪輪緣鎖定。

水蝕問題

汽輪機低壓部分葉片工作在含有水滴的濕蒸汽中，在水滴的作用下葉片產生水蝕，特別是低壓末級葉片，由於蒸汽濕度大，且圓周速度又高，使葉片極易遭到水蝕。一般情況下。葉片發生水蝕的區域為頂部進汽邊和根部出汽邊，葉片的水蝕會導致葉片出現蜂窩狀組織，嚴重者使葉片進出汽邊緣呈現鋸齒狀，形成很多細小的裂紋。這些部位很容易產生應力集中，抗疲勞強度降低，水蝕發展到一定程度還會改變葉片的振動特性。導致機組發生強烈振動等惡性事故，而且可使級效率下降。

表面防護

1、電火花強化

電火花強化是直接利用火花放電的高密度能量將作為正極的電極材料熔化、塗覆、熔滲進金屬工件的表層，形成合金化的表面強化層，從而使工件表面的物理、化學和機械性能得到改善。電火花表面強化工藝具有以下特點：操作簡單，不會使工件退火或熱變形，強化層與基體的結合為冶金結合，非常牢固，不會產生有毒氣體、液體等污染環境，可對工件表面進行局部強化等。一般的研究結果表明，採用硬質合金作強化電極進行電火花強化，在材料表面形成一層一定厚度的硬化層，這層硬化層的硬度較高，耐磨粒磨損、耐水刷能力較強，能較好地保護材料不受損害。硬化層厚度越厚及硬度越高，耐磨粒磨損、耐水刷能力越強。所以，為得到較好的耐水刷硬化層，必須採用硬質合金作電極，用合適的工藝得到一定厚度的高硬度硬化層。但硬化層不能太厚，否則容易產生表面裂紋，從而影響防水蝕效果。

汽輪機末級葉片

2、熱噴塗

熱噴塗是指將熔融狀態的噴塗材料通過高速氣流將其霧化，噴射到件上形成噴塗層的一種表面加工方法，主要可分為火焰噴塗、超音速火焰噴塗、等離子噴塗、電弧噴塗及高速電弧噴塗等。熱噴塗技術在航空航天、化工、機械等行業已得到廣泛套用，就電力行業而占，熱噴塗技術的套用在幾年內已顯示出蓬勃發展的勢頭，並已從傳統的火焰噴塗、電弧噴塗轉向先進的超音速火焰噴塗和高速電弧噴塗技術。近年來，隨著超音速電弧噴塗技術的迅速發展，塗層的硬度和結合強度更高，特別是塗層的孔隙率更低(<2%)，氧化物含量更低。採用超音速電弧噴塗與堆焊聯合使用，在葉片表面生成一層與基體結合牢固的抗磨耐蝕防護塗層，可獲得較好的防護效果。

水蝕防護髮展

隨著單機容量的不斷提高，1997年後發展的特大型長葉片，鋼葉片的最大圓崗速度已提高到650m/s以上，葉片的應力水平更高，鑲硬質合金、高頻淬硬、火焰淬硬等傳統提高動葉片抗水蝕能力的技術都伴隨著犧牲葉片部分疲勞強度性能。雷射表面強化技術在提高抗水蝕能力的同時，能保持材料的韌性不變，而且處理後的葉片的表面應力狀況及疲勞強度、抗應力腐蝕能力還有所提高。與其它方法相比，雷射強化工藝有如下特點：

1)加熱冷卻迅速，組織高度細化；

2)熱影響區小，變形小；

3)通用性強，可以實現形狀複雜的零件的局部表面處理；

4)操作簡單，自動化程度高，無污染，安全可靠。但相對設備投入較大。

雷射具有良好的距離能量傳輸性能，雷射器不一定要靠近，更適合於自動化控制的高效流水線生產，因而是今後大容量機組葉片防水蝕工藝的主要發展方向。電子束表面處理技術也是用於汽輪機葉片防水蝕的新的工藝方法。該方法具有功率密度高，控制靈活，重複性好，能夠精確控制表面溫度和穿透濕度等特點，同時是在真窄條件下進行，對金屬保護特別好，可以獲得較高的結合力和性能，這是包覆塗層、離子注入、沉積等方法難以達到的。隨著研究的深入和工藝的成熟．將會在汽輪機防水蝕、防磨損，燃汽輪機耐高溫、防腐蝕以及零部件修復等方面得到推廣使用。

面臨問題

汽輪機末級葉片可能面臨的問題是，要求設計出有效終壓為排汽壓力，蒸汽膨脹和余速損失最小的末級葉片；要求末級總環形面積趨於和汽輪機額定功率成正比。目前實現此目的有兩種途徑：其一是增加低壓通流級數，這種辦法簡單易行，但是增加低壓通流級數會使軸系振動、脹差問題隨著軸的長度增大而變得嚴重；其二是製造更長的葉片。當前汽輪機廠家對上述兩種方法是兼而有之。在運行中，國內外都有不同程度的葉片裂紋和斷裂事故，其原因是複雜的，找出主要原因，提高可靠性顯得非常必要。