百科详情

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。

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。

汽轮机低压部分叶片工作在含有水滴的湿蒸汽中，在水滴的作用下叶片产生水蚀，特别是低压末级叶片，由于蒸汽湿度大，且圆周速度又高，使叶片极易遭到水蚀。一般情况下。叶片发生水蚀的区域为顶部进汽边和根部出汽边，叶片的水蚀会导致叶片出现蜂窝状组织，严重者使叶片进出汽边缘呈现锯齿状，形成很多细小的裂纹。这些部位很容易产生应力集中，抗疲劳强度降低，水蚀发展到一定程度还会改变叶片的振动特性。导致机组发生强烈振动等恶性事故，而且可使级效率下降。

1、电火花强化

汽轮机末级叶片电火花强化是直接利用火花放电的高密度能量将作为正极的电极材料熔化、涂覆、熔渗进金属工件的表层，形成合金化的表面强化层，从而使工件表面的物理、化学和机械性能得到改善。电火花表面强化工艺具有以下特点：操作简单，不会使工件退火或热变形，强化层与基体的结合为冶金结合，非常牢固，不会产生有毒气体、液体等污染环境，可对工件表面进行局部强化等。一般的研究结果表明，采用硬质合金作强化电极进行电火花强化，在材料表面形成一层一定厚度的硬化层，这层硬化层的硬度较高，耐磨粒磨损、耐水刷能力较强，能较好地保护材料不受损害。硬化层厚度越厚及硬度越高，耐磨粒磨损、耐水刷能力越强。所以，为得到较好的耐水刷硬化层，必须采用硬质合金作电极，用合适的工艺得到一定厚度的高硬度硬化层。但硬化层不能太厚，否则容易产生表面裂纹，从而影响防水蚀效果。

2、热喷涂

热喷涂是指将熔融状态的喷涂材料通过高速气流将其雾化，喷射到件上形成喷涂层的一种表面加工方法，主要可分为火焰喷涂、超音速火焰喷涂、等离子喷涂、电弧喷涂及高速电弧喷涂等。热喷涂技术在航空航天、化工、机械等行业已得到广泛应用，就电力行业而占，热喷涂技术的应用在几年内已显示出蓬勃发展的势头，并已从传统的火焰喷涂、电弧喷涂转向先进的超音速火焰喷涂和高速电弧喷涂技术。近年来，随着超音速电弧喷涂技术的迅速发展，涂层的硬度和结合强度更高，特别是涂层的孔隙率更低(<2%)，氧化物含量更低。采用超音速电弧喷涂与堆焊联合使用，在叶片表面生成一层与基体结合牢固的抗磨耐蚀防护涂层，可获得较好的防护效果。

随着单机容量的不断提高，1997年后发展的特大型长叶片，钢叶片的最大圆岗速度已提高到650m/s以上，叶片的应力水平更高，镶硬质合金、高频淬硬、火焰淬硬等传统提高动叶片抗水蚀能力的技术都伴随着牺牲叶片部分疲劳强度性能。激光表面强化技术在提高抗水蚀能力的同时，能保持材料的韧性不变，而且处理后的叶片的表面应力状况及疲劳强度、抗应力腐蚀能力还有所提高。与其它方法相比，激光强化工艺有如下特点：

1)加热冷却迅速，组织高度细化；

2)热影响区小，变形小；

3)通用性强，可以实现形状复杂的零件的局部表面处理；

4)操作简单，自动化程度高，无污染，安全可靠。但相对设备投入较大。

激光具有良好的距离能量传输性能，激光器不一定要靠近，更适合于自动化控制的高效流水线生产，因而是今后大容量机组叶片防水蚀工艺的主要发展方向。电子束表面处理技术也是用于汽轮机叶片防水蚀的新的工艺方法。该方法具有功率密度高，控制灵活，重复性好，能够精确控制表面温度和穿透湿度等特点，同时是在真窄条件下进行，对金属保护特别好，可以获得较高的结合力和性能，这是包覆涂层、离子注入、沉积等方法难以达到的。随着研究的深入和工艺的成熟．将会在汽轮机防水蚀、防磨损，燃汽轮机耐高温、防腐蚀以及零部件修复等方面得到推广使用。

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。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。