中国电力（）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中国电力（） 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和抗腐蚀疲劳的材料，只能采用钛合金但其费用太高，且钛合金叶片的机加工也颇为困难 (3)国内外汽轮机制造厂家对末级动叶的进汽边进行防水蚀保护，国外多采用钎焊司太立合金片，我国早期采用电火花强化等措施，目前 200MW 机末级进汽边用中频淬硬，300MW 采用高频淬硬，但均不太理想。
另外钎焊司太立合金片经长期运行有可能贴合面不牢，钎焊质量不好，会造成局部应力过大现在国外一些机组开缸后发现末级叶片的出汽边而不是进汽边水蚀严重，包括从叶根到叶片总长的 50%～60% 部分，很容易发生裂断，其原因是在长期低负荷工作下，末级叶片根部区发生汽动涡流的反向流动所致 (4)末级叶片的可靠性必须对频率特性进行详细计算美国西屋公司对长为 1016mm，4片为一组的叶片，将其工作频率调整到转动频率的倍频，但实际上叶栅的工作频率相对网频的偏差有严格的要求和规定如苏联规定叶片可靠性工作范围是 49～50Hz，但当降低到47～49Hz 时只能工作几分钟美国也做了硬性限制，末级叶片长期的工作频率范围不能大于正负 1%众所周知，末级叶片长期在低周波运行条件下，则会产生低周波疲劳(LCF)，若末级叶片在低周波疲劳和长期低负荷运行条件下，则会加速叶片出现裂纹并导致断裂 (5)据美国电力研究院(EPRI)912 专题报告第一部分第三章阐述，美国国内 50 台机组末级叶片事故占叶片总事故的 75%这些事故多由工作介质的腐蚀性、材料性能的缺陷及振动疲劳应力的相互作用所致从开缸检查来看，多在叉型叶根的定位销处产生应力腐蚀裂纹。
西屋公司对大部分叶片事故部位进行沉淀分析，发现该部位有氯化物氯化物主要是氯化钠和氢氧化钠它们对叶片有强裂的腐蚀作用目前一致认为氯化物的腐蚀作用是导致叶片断裂的主要原因之一西屋公司曾在茵西纳(ENCINA)电厂 4 ＃机进行挂片试验，发现末级叶片处于盐溶区，从而再次证明氯化物对叶片材料的腐蚀作用会使湿蒸汽区叶片材料的疲劳强度显著降低，叶片长期处于盐溶区会导致出现裂纹和断裂 (6)末级叶片叶根与叶轮轮缘装配在一起这是汽轮机应力最集中的部位加之末级叶片直径大，动态离心力也大，这些因素要求叶片材料必须有超常的抗疲劳强度，若经机加工后的叶根与叶轮轮缘的紧配合精度达不到要求，则很难确保叶片不发生断裂事故 (7)众所周知，在同一级末级叶片实测的各叶片在同一振型下的固有频率并不完全相同中国电力（）这种叶片的频率离散性是由制造和装配工艺的差异引起的，叶片材料的机械性能因材质和热处理的离散性也不完全相同，这就致使各叶片的频率有一定差别严格来讲末级叶片的设计因其是变截面叶片，应增加级的热降和根部的反动度，使其频率不等于干扰频率的倍数然而在特定的工作条件下，并非都会令人满意4 提高末级叶片可靠性的措施 通过以上分析，可以归纳出提高末级叶片可靠性，避免断裂事故的措施有如下各点。
4.1 提高材料的抗疲劳性能 但就当前末级叶片的材料来看，单纯地提高材质的抗疲劳性能有一定问题，还应提高和改善其它诸方面因素：汽水品质、结构设计、运行条件、系统性能等，以补偿材料的抗疲劳性能4.2 严格控制蒸汽的化学品质 为了不使末级叶片处于盐溶区工作条件下，就必须保证蒸汽的品质西屋公司曾对 20多个电厂蒸汽的化学品质进行监视，并通过诊断中心，指导电厂运行人员采取措施，保证工作介质处于良好状态目前市场已经能买到蒸汽化学品质监视器，它能指示出低压末级叶片所处的工作环境是否在盐溶区域4.3 改进叶片的结构设计 从设计角度来看，末级叶片的固有频率取决于质量分布半径、惯性矩、转子刚性、燕尾槽刚性及拉筋位置和刚性其固有频率应正好处于两个共振频率的中间频带，避免一阶振型和产生高频振型，从而避开共振点末级叶片的抗振不仅仅取决于工作频率的调整，并且也取决于共振发生时其动态应力是否小当采用阻尼拉筋或围带时，减振程度会大大提高，但装减振拉筋和围带后，会使级效率降低 0.5%另外，过去是按稳定流场进行设计的，实际上通过叶片的汽流是非稳定的，目前提出新的分析方法来确定非稳定汽流对叶片，特别是对湿蒸汽条件下，高载荷末级叶片可靠性的影响。
蒸汽流施加给动叶片的力和动叶片旋转引起的离心力形成蒸汽涡动和不稳定力叠加在静叶出口流道，作用到动叶上，当其作用力很复杂时，由此产生疲劳而引起振动和应力过高，长期运行会导致叶片出现裂纹和断裂4.4 加强巡回检测和诊断技术手段 美国通用电气对运行机组进行现场遥测试验，以测试末级叶片的响应特征其方法是，在末级叶片的关键部位装上应变片，通过传感器进行屏幕数据显示，经诊断系统判断末级叶片的工作状况 目前 EPRI 已研制出一种计算程序(Blade life algorithm for dynamic evaluation)，可以在停机期间测定在下一次停机前是否会出现叶片故障这种程序只要操作者把具体数据，如叶片型线、技术参数、阻尼、叶片材料性能及机组周期负荷工况输入计算机，由该程序进行有限元应力分析和疲劳分析，就能将最终预测结果提供给用户。