汽轮机转子叶片的侵蚀行为及机理

吴闯

摘要：湿蒸汽流动造成的侵蚀降低了凝汽式汽轮机末级动叶的效率，使其使用寿命缩短。迄今为止，关于汽轮机转子叶片在运行过程中受侵蚀过程的资料不足，这些资料可作为建立和验证受侵蚀转子叶片寿命估算数学模型的基础。本文回顾了多年来对凝汽式汽轮机动叶侵蚀过程规律及其机理的监测和研究成果。根据得到的动叶侵蚀过程规律和简化模型，估算了动叶的使用寿命

关键词：汽轮机;叶片;侵蚀

1 简介

尽管目前已知和应用了各种保护方法，由于运行过程中水滴的撞击作用，但侵蚀会对凝汽式涡轮机最强的末级转子叶片造成相当大的损害。汽轮机末级动叶的使用寿命取决于叶片材料的防蚀方法、蒸汽湿度，而运行条件在长时间的运行过程中会发生变化。由于转子叶片的使用寿命差异很大，操作人员无法轻易安排更换或维修转子叶片。到目前为止，在专业文献中还没有合适的方法和模型来确定使用寿命，可以更广泛地使用，并具有可接受的准确性。以往对寿命的调查和提出的模型]原则上是针对特定情况，不能用于一般情况。为了帮助估算转子叶片的寿命，本文對210mw凝汽式汽轮机转子叶片的侵蚀过程和机理进行了长期监测和分析。给出了末级动叶的累积侵蚀过程，并在简化模型的基础上估算了其寿命。

2 涡轮机和测量转子叶片侵蚀概述

对16台210mw汽轮机末级动叶的冲蚀过程进行了研究。它们是脉冲式涡轮机，包含高压、中压和双流低压。由于水滴的撞击，动叶前缘的侵蚀最严重的区域发生在B区，倒数第二双叶片低压级是根据鲍曼原理将一部分蒸汽直接送入冷凝器。末级动叶长度为765 mm，平均直径为2100 mm。末级静叶有60片，末级动叶有94片。末级动叶叶尖剖面弦长为99 mm。最后一级动叶的前缘由钨铬钴合金板保护，从叶尖到叶根的长度为320毫米，沿叶片固定。

叶片的钨铬钴合金保护由10个镀银板焊接到基材。钨铬钴合金板长33毫米，宽12毫米，厚1.5毫米。板材由钨铬钴合金6制成，其硬度为421 HVlO，而叶片衬底材料为DIN X20Cr13。在设计操作条件下，汽轮机入口的蒸汽压力为808 K （535 “ C）下的12.8 MPa。蒸汽在2.3 MPa下再加热至808 K （535 “ C）。中压套管排出处蒸汽压力为0.13 MPa。末级上游蒸汽压力为15kpa，动叶上游蒸汽压力为8.0 kPa。在冷却水温度为288 K （15 “ C）时，汽轮机末级排放的蒸汽压力为4 kPa。末级上游蒸汽湿度为1.7%，动叶上游为3.8%，动叶下游为5.7%。涡轮末级的反应速率为5 1.4%。外围速度与虚拟速度之比为u/cf=O.598。蒸汽绝对速度ci =450m s-i。绝对出口速度的角度是（Y， = 18 “ 33 ‘。进入转子叶栅的蒸汽速度为175ms- ‘。末级外围速度平均直径为u = 330 m s- ‘，动叶叶尖为450 m s- ‘。汽轮机转子的转速为50 s- i，进入汽轮机的蒸汽量为180 kg s-（650 t h-i）。在低压下，21.53 kg s- ‘ （77.5 t hh ‘）的蒸汽直接从鲍曼级进入浓缩器。通过汽轮机最后一级，38.33 kg s- ‘ （138 t hh ‘）的蒸汽被带到冷凝器。该汽轮机有7个不规则的蒸汽抽汽回热给水加热。

为了确定侵蚀过程的最后阶段转子叶片（部分受到最高的侵蚀率攻击）和评估未来性的操作，全面测量定子和侵蚀破坏进行了分析。测量内容包括：转子叶片前缘剖面弦长、钨铬钴合金板弹坑和点蚀损伤的长度和宽度以及叶片基材的厚度。为了获得准确的数据，对选定的7片动叶进行了侵蚀测量，并对低压涡轮各末级轮周进行了观测。在此基础上，计算了汽轮机运行一定周期内各测量参数的平均值。采用专门设计的弹坑深度滑动卡尺测量了旋翼叶型弦面损伤和弹坑深度。测量误差可达0.1 mm。用钢尺测量了弹坑和点蚀损伤的长度，误差可达10mm。考虑到转子叶片累积侵蚀损伤与涡轮周期的相关性，对测量参数进行了分析。用附图比例尺拍摄了涡轮末级动叶的典型冲蚀损伤情况。每次进行转子叶片冲蚀测量时，分析了在两次测量之间汽轮机运行的蒸汽和负荷参数。在此基础上，研究分析了水轮机运行方式对冲蚀过程的影响。对被腐蚀的转子叶片进行了截面分析，研究了其腐蚀机理。用光学显微镜和扫描电子显微镜进行显微检查。

3 结果讨论

对凝汽式汽轮机末级涡轮叶片侵蚀的长期（超过10年）测量和监测结果。表明叶片前缘型线弦的侵蚀损伤、叶型线弦的损伤长度）以及弹坑和点蚀损伤的长度，平均损伤随涡轮运行时间的变化很少。210 MW汽轮机末级动叶前缘在侵蚀过程第2区和第3区开始时的侵蚀破坏，根据测量结果和监测结果，将转子叶片冲蚀过程划分为三个冲蚀特征区。第1区叶片材料损伤不明显，第2区侵蚀速率最大，第3区侵蚀速率较低。在动叶冲蚀损伤与涡轮运行时间关系图中，由于数据点不足，对冲蚀过程的第一和第二区域进行了近似，涡轮的末级动叶在其使用寿命期间，大多运行在侵蚀过程的第三减速区域。第三区域的侵蚀过程被确定为近似线性的。这些涡轮的弹坑和点蚀破坏迅速地破坏了从叶尖到叶片根部的整个前缘背面。从叶片顶端向根部移动，该区域的侵蚀坑和凹坑尺寸减小;在叶片根部，侵蚀损伤呈现出几乎看不见的小斑点。这可以解释为从叶尖到根部的湿蒸汽中水滴的大小和浓度降低。前缘背面的弹坑和点蚀损伤虽然几乎到了叶根，但对动叶的可靠性和使用寿命几乎没有影响。叶片前缘型线弦的损伤强度对涡轮末级动叶的可靠性和使用寿命至关重要。

参考文献：

[1]李文杰，缪立波，揭念柱，张智. 汽轮机叶片锈蚀原因分析 [J].  理化检验（物理分册）. 2011（03）