大型汽轮机末级叶片发展及事故分析.docVIP

大型汽轮机末级叶片发展及事故分析 周继伟 ( 中国东方电气集团公司 ) 摘要： 阐述了国内外火电站汽轮机末级叶片发展情况，对其产生裂纹和断裂事故的原因进行了分析，简要提出了末级叶片运行条件监测及提高其可靠性的途径。 ?关键词： 末级叶片；事故分析；可靠性 1前言 ? 目前，大型火电汽轮机末级至少占汽轮机功率输出的10%，因此级效率每增加1%，将会使汽轮机的热耗降低01%。这是非常吸引人的数字。但大功率汽轮机末级叶片可能面临的问题是，要求设计出有效终压为排汽压力，蒸汽膨胀和余速损失最小的末级叶片；要求末级总环形面积趋于和汽轮机额定功率成正比。目前实现此目的有两种途径：其一是增加低压通流级数，这种办法简单易行，但是增加低压通流级数会使轴系振动、胀差问题随着轴的长度增大而变得严重；其二是制造更长的叶片。当前汽轮机厂家对上述两种方法是兼而有之。在运行中，国内外都有不同程度的叶片裂纹和断裂事故，其原因是复杂的，找出主要原因，提高可靠性显得非常必要。 2大型机组末级叶片的发展 ? 早在20世纪七八十年代，大型火电站的汽轮机末级叶片就发展很快。据资料记载，美国通用电气和西屋公司分别研制出787mm及851mm叶片，并在350MW及600MW机投入使用；日本三菱公司、日立公司及东芝公司成功地将1016mm末叶用于600MW火电机组；列宁格勒金属工厂很早就研制出1020mm末叶用于800MW机。目前火电机组投入使用的末级叶片已达1041mm。阿尔斯托姆最近开发了1092mm末级叶片。国内火电机组末级叶片有680mm，710mm，851mm，909mm，1016mm等，分别用于200MW，300MW，600MW等系列机组。现设计的末级叶片均采用最佳速比、反动度和三元流计算方法，使径向和轴向的流体分布更趋合理；采用高效率的动叶型，光滑的子午面通道结构等，从而大大地提高了级效率。 ? 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。 ??与叶轮相衔接的叶根有倒T型、双倒T型、外包菌型、枞树型及叉型。美国通用电气公司及西屋公司多采用枞树型叶根，国内200MW机的末级叶片叶根为五叉型和七叉型，通过定位销与叶轮轮缘锁定。 3末级叶片断裂事故原因 ? 大型汽轮机末级叶片的可靠性是一个十分复杂的问题，它涉及到空气动力学设计、机械设计及材料选用的标准等。 ? 在70年代到80年代初，国内外末级叶片断裂事故频繁发生。在二部(机械部、电力部)从西屋公司引进300MW/600MW火电机组技术时，在美国费城莱斯特厂就曾了解到，西屋公司先后用10年时间对末级叶片优化和改进，在此之前通用和西屋有50台机组的末级叶片发生裂纹和断裂事故。其末级叶片断裂事故多发生在低压缸的电机端和调速器端。在我国，电厂运行中叶片断裂事故也占较大比例，据不完全统计，从1970年到1985年，全国至少发生1061起叶片事故(包括末级叶片)。据资料记载，前苏联从1975年到1985年大概有400台从160MW到600MW运行机组末级叶片发生过裂纹和断裂事故。日本末级叶片事故率占电站事故率的5%，西德占4%。总的来讲，末级叶片出现裂纹和断裂事故的原因大致可归纳如下： ? (1)大型汽轮机末级叶片(包括次末级)是在湿蒸汽条件下工作的，加之末级动叶叶顶的线速度为超音速，如通用电气762mm的末叶，其叶顶的线速度为581m/s；851mm的末叶，其叶顶的线速度为594m/s；1016mm的末叶，其叶顶的线速度为657m/s。相对应的马赫数为1.35、1.6和1.77，这样对末级叶片的水蚀和水涮更为严重。 ? (2)末级叶片材料的抗疲劳性能如何，特别是在湿蒸汽工作条件下的材料抗腐蚀能力，对末级叶片的可靠性非常关键。目前国内外汽机末级叶片均采用铬合金钢材料，但这种系列材质的机械性能，诸如屈服点、延伸率、断面收缩率和抗拉强度都难以再提高。也就是说材料已达到相对极限，如要求采用更高强度