东北电力技术 2001年第1期
汽轮机末级叶片水蚀的机理及防护措施
T he M echnism and Preventive M easures for Water Erosion of Steam T urbine Last -stage Blades
贾晓梅, 杨 毅
(沈阳电力高等专科学校, 辽宁 沈阳 110036)
摘要:水蚀是造成汽轮机叶片损伤的普遍原因之一。文中叙述了叶片水蚀的机理、叶片水蚀的发展和防护方法。关键词:水蚀; 产生机理; 防护方法[中图分类号]T G174 43; T K 263 6+1
[文献标识码]B
[文章编号]1004-7913(2001) 01-0008-02
随着大功率电厂汽轮机的发展, 汽轮机末级叶片水蚀损伤防护方法的研究继续受到国内外电力工业人员的广泛重视。叶片的严重水蚀不但会引起叶片的断裂破坏, 导致机组发生强烈振动等恶性事故, 而且可使级效率下降。按照西屋公司的资料, 该公司生产的393台汽轮机发生过叶片腐蚀断裂事
故; 据德国所做的统计, 在35起低压缸叶片损伤事故中有13起主要是由于水蚀引起的。
末级长叶片的研制是关系到汽轮机扩大容量的关键技术之一。在研制末级长叶片时, 对叶片的气动性能、振动特性、材料性能及机械加工的工艺性能都有很高的要求。同时, 因叶片长度的增加, 使叶片水蚀的防护方法占有很重要的位置。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。文中主要阐述了水蚀产生的机理及防护方法。
生疲劳裂纹。水滴冲击到这种裂纹的内部时, 水滴内部的压力将使裂纹向更深处发展。致使叶片材料从叶片表面脱离而形成水蚀。1 2 水蚀的发展
动叶片的水蚀率(单位时间内每单位面积的水蚀量) , 在初期阶段发展迅速, 其后将显著地减慢, 因此水蚀率在各个时期是不相等的。图1表示水蚀率与时间的典型关系, 按图1把水蚀进展过程分为4个区域(潜伏区、加速区、衰减区及稳定区)
。
1 水蚀产生的机理和发展
1 1 水蚀产生的机理
从静叶表面到出口边的水膜, 因受到汽流的作用而破碎, 并成为直径为数十至数百 m 的水滴。这种水滴与动叶表面冲击时, 由球状变成了膜状, 因此在水滴与动叶接触部分内部产生了很高的压力。其压力将超过材料的屈服极限, 使叶片材料产生局部的塑性变形和应变硬化。在这种压力的反复作用下, 当叶片达到材料的疲劳极限时, 便开始产
图1 水蚀率与时间典型关系曲线
潜伏区:叶片材料重量不减少, 仅是局部发生塑性变形和应变硬化。
加速区:因在潜伏期材料由内部的疲劳不断积蓄而开始出现破坏现明, 叶片材料脱离, 水蚀量急剧增加。
衰减区:水蚀率急速降低, 水蚀减速阶段。
稳定区:水蚀率几乎保持一个定值, 维持在稳定状态。
如前所述, 水蚀进展到某种程序时, 在变得粗糙的表面会滞留一层水膜, 因水膜吸收了水滴的冲击压力而起到一种缓冲作用, 使水蚀大幅度减弱。另外, 即使在没有水膜滞留的部分, 叶片表面变得粗糙后出现水滴向其倾斜面冲击的倾向, 作用在斜面的水滴速度的垂直分量显著减小, 这是造成水蚀率大大降低的原因。
应值得考虑。
防护材料可以用很多方法施加于裸露的金属表面, 例如护散、涂敷、电镀、强化或等离子喷镀等。电镀方法比较好, 因为许多防护材料都可在低温下镀在元件有表面, 而这种低温施工过程不会影响基体金属热处理的性能。
护散是得到防护层的又一种普遍而有效的方法。防护材料是以粉状或液状转移到金属表面上的, 用粘结、等离子喷镀或火争喷镀来实现, 使保护层熔融到金属上, 并与元件在金相上结合在一起。
离子汽化沉积是比较新的方法, 其成熟的工艺规程可以直接应用于汽轮机叶片。具体做法是在将要处理的零件和导电性能稳定的热汽化源之间加上离位负电势。整过程在充满惰性气体的容器内完成。气体的阳离子轰击金属基体, 并通过等离子冲刷来 清洗 金属表面, 将残余的金属氧化物和其脏东西从金属表面上清除掉, 使元件带上负电荷, 并放在一个熔化金属的坩锅下方, 于是金属离子就冲击到元件的表面上。
2 防止水蚀的措施
2 1 减少有害的水滴
在级内减少部分水滴的方法大致有以下2种。2 1 1 利用动叶的离心力
如同离心分离器一样, 把水滴甩到通流部分外面。同时, 为了防止再流回叶片通道内, 设计了捕水室, 减少水滴的效果与捕水室的形状、位置有极大关系。近期在新型汽机低压末级采用的改进型捕水室与旧的相比, 效果提高了许多。2 1 2 在静叶通道内除水
水蚀是由静叶后缘喷出的大水滴造成的。为了防止这种大水滴的喷出采用了在静叶的弧面上加工出缝隙的方法。静叶表面上的水膜流向缝隙, 由于空气导叶内形成了更低压力, 可把水膜吸入以减少水滴。这种方法在一些机组上已被采用。
2 2 改变动静叶片轴向间隙
适当调整静叶出汽边和动叶间的距离, 让水滴充分雾化, 使水滴的冲击压力降低, 从而起到防止水蚀的作用。2 3 采用防护层
防止汽轮机水蚀的一个有效的方法是借助防护层将叶片表面和水蚀介质隔开。
防护层通常分为屏障型和消耗型。屏障型防护层是用一层惰性薄膜材料来防止水蚀介质侵蚀或氧化裸露的金属表面。消耗型防护层是提供负极保护, 用防护材料代替金属表面与水蚀介质发生氧化作用或化学反应。因此, 消耗型防护层的寿命有限, 但是这些防护材料能够在现场重新涂敷, 所以
3 结束语
由于汽轮机叶片水蚀断裂事故的不断发生, 对汽轮机可靠性构成了一定的威胁。从70年代开始, 许多国家进行了大规模的试验研究, 寻找解决的途径, 包括金属表面腐蚀介质的形成与浓缩机理, 改善水化学工况保证蒸汽品质, 提高电厂运行水平与加强运行中的监视, 寻找防止叶片水蚀的稳定材料等。但是叶片水蚀破坏属于十分复杂的断裂现象, 问题涉及到化学、金相物理学和力学等各方面的内容。作为腐蚀介质的蒸汽中有50多种低浓度有害化合物, 但至今尚不清楚不同杂质对叶片水蚀的影响。对于叶片水蚀断裂的形成与扩展过程的认识基本上经验上的。对此, 尚有大量的试验研究工作有待于进一步深入开展。作者简介:
贾晓梅, 女, 工学学士, 讲师, 现从事电厂自动化方面的教学工作。
(收稿日期 2000-11-03)
日本大容量光缆通讯试验成功
日本富士通研究所宣布:大容量光缆通讯试验成功, 相当于一份报纸250a 所容纳的信息量仅用1s 就能传送完毕。目前实用的光通讯传送容量为10Gbit/s, 而富士通研究所新开发的为1100Gbi t/s, 是目前容量的百余倍, 使多媒体时代传送信息量大的动画等变得容易了。
富士通研究所将波长略有差异的55束光信号分别载入20Gbit/s 的信息, 用一根光纤传送, 从而实现了合计1100Gbit/s 的传送容量。传送距离150km, 每50km 处设立一个放大器, 以增强减弱的光信号, 1100Gbit/s 的传送容量大约相当于1500万条电话线路的传送容量。
东北电力技术 2001年第1期
汽轮机末级叶片水蚀的机理及防护措施
T he M echnism and Preventive M easures for Water Erosion of Steam T urbine Last -stage Blades
贾晓梅, 杨 毅
(沈阳电力高等专科学校, 辽宁 沈阳 110036)
摘要:水蚀是造成汽轮机叶片损伤的普遍原因之一。文中叙述了叶片水蚀的机理、叶片水蚀的发展和防护方法。关键词:水蚀; 产生机理; 防护方法[中图分类号]T G174 43; T K 263 6+1
[文献标识码]B
[文章编号]1004-7913(2001) 01-0008-02
随着大功率电厂汽轮机的发展, 汽轮机末级叶片水蚀损伤防护方法的研究继续受到国内外电力工业人员的广泛重视。叶片的严重水蚀不但会引起叶片的断裂破坏, 导致机组发生强烈振动等恶性事故, 而且可使级效率下降。按照西屋公司的资料, 该公司生产的393台汽轮机发生过叶片腐蚀断裂事
故; 据德国所做的统计, 在35起低压缸叶片损伤事故中有13起主要是由于水蚀引起的。
末级长叶片的研制是关系到汽轮机扩大容量的关键技术之一。在研制末级长叶片时, 对叶片的气动性能、振动特性、材料性能及机械加工的工艺性能都有很高的要求。同时, 因叶片长度的增加, 使叶片水蚀的防护方法占有很重要的位置。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。文中主要阐述了水蚀产生的机理及防护方法。
生疲劳裂纹。水滴冲击到这种裂纹的内部时, 水滴内部的压力将使裂纹向更深处发展。致使叶片材料从叶片表面脱离而形成水蚀。1 2 水蚀的发展
动叶片的水蚀率(单位时间内每单位面积的水蚀量) , 在初期阶段发展迅速, 其后将显著地减慢, 因此水蚀率在各个时期是不相等的。图1表示水蚀率与时间的典型关系, 按图1把水蚀进展过程分为4个区域(潜伏区、加速区、衰减区及稳定区)
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1 水蚀产生的机理和发展
1 1 水蚀产生的机理
从静叶表面到出口边的水膜, 因受到汽流的作用而破碎, 并成为直径为数十至数百 m 的水滴。这种水滴与动叶表面冲击时, 由球状变成了膜状, 因此在水滴与动叶接触部分内部产生了很高的压力。其压力将超过材料的屈服极限, 使叶片材料产生局部的塑性变形和应变硬化。在这种压力的反复作用下, 当叶片达到材料的疲劳极限时, 便开始产
图1 水蚀率与时间典型关系曲线
潜伏区:叶片材料重量不减少, 仅是局部发生塑性变形和应变硬化。
加速区:因在潜伏期材料由内部的疲劳不断积蓄而开始出现破坏现明, 叶片材料脱离, 水蚀量急剧增加。
衰减区:水蚀率急速降低, 水蚀减速阶段。
稳定区:水蚀率几乎保持一个定值, 维持在稳定状态。
如前所述, 水蚀进展到某种程序时, 在变得粗糙的表面会滞留一层水膜, 因水膜吸收了水滴的冲击压力而起到一种缓冲作用, 使水蚀大幅度减弱。另外, 即使在没有水膜滞留的部分, 叶片表面变得粗糙后出现水滴向其倾斜面冲击的倾向, 作用在斜面的水滴速度的垂直分量显著减小, 这是造成水蚀率大大降低的原因。
应值得考虑。
防护材料可以用很多方法施加于裸露的金属表面, 例如护散、涂敷、电镀、强化或等离子喷镀等。电镀方法比较好, 因为许多防护材料都可在低温下镀在元件有表面, 而这种低温施工过程不会影响基体金属热处理的性能。
护散是得到防护层的又一种普遍而有效的方法。防护材料是以粉状或液状转移到金属表面上的, 用粘结、等离子喷镀或火争喷镀来实现, 使保护层熔融到金属上, 并与元件在金相上结合在一起。
离子汽化沉积是比较新的方法, 其成熟的工艺规程可以直接应用于汽轮机叶片。具体做法是在将要处理的零件和导电性能稳定的热汽化源之间加上离位负电势。整过程在充满惰性气体的容器内完成。气体的阳离子轰击金属基体, 并通过等离子冲刷来 清洗 金属表面, 将残余的金属氧化物和其脏东西从金属表面上清除掉, 使元件带上负电荷, 并放在一个熔化金属的坩锅下方, 于是金属离子就冲击到元件的表面上。
2 防止水蚀的措施
2 1 减少有害的水滴
在级内减少部分水滴的方法大致有以下2种。2 1 1 利用动叶的离心力
如同离心分离器一样, 把水滴甩到通流部分外面。同时, 为了防止再流回叶片通道内, 设计了捕水室, 减少水滴的效果与捕水室的形状、位置有极大关系。近期在新型汽机低压末级采用的改进型捕水室与旧的相比, 效果提高了许多。2 1 2 在静叶通道内除水
水蚀是由静叶后缘喷出的大水滴造成的。为了防止这种大水滴的喷出采用了在静叶的弧面上加工出缝隙的方法。静叶表面上的水膜流向缝隙, 由于空气导叶内形成了更低压力, 可把水膜吸入以减少水滴。这种方法在一些机组上已被采用。
2 2 改变动静叶片轴向间隙
适当调整静叶出汽边和动叶间的距离, 让水滴充分雾化, 使水滴的冲击压力降低, 从而起到防止水蚀的作用。2 3 采用防护层
防止汽轮机水蚀的一个有效的方法是借助防护层将叶片表面和水蚀介质隔开。
防护层通常分为屏障型和消耗型。屏障型防护层是用一层惰性薄膜材料来防止水蚀介质侵蚀或氧化裸露的金属表面。消耗型防护层是提供负极保护, 用防护材料代替金属表面与水蚀介质发生氧化作用或化学反应。因此, 消耗型防护层的寿命有限, 但是这些防护材料能够在现场重新涂敷, 所以
3 结束语
由于汽轮机叶片水蚀断裂事故的不断发生, 对汽轮机可靠性构成了一定的威胁。从70年代开始, 许多国家进行了大规模的试验研究, 寻找解决的途径, 包括金属表面腐蚀介质的形成与浓缩机理, 改善水化学工况保证蒸汽品质, 提高电厂运行水平与加强运行中的监视, 寻找防止叶片水蚀的稳定材料等。但是叶片水蚀破坏属于十分复杂的断裂现象, 问题涉及到化学、金相物理学和力学等各方面的内容。作为腐蚀介质的蒸汽中有50多种低浓度有害化合物, 但至今尚不清楚不同杂质对叶片水蚀的影响。对于叶片水蚀断裂的形成与扩展过程的认识基本上经验上的。对此, 尚有大量的试验研究工作有待于进一步深入开展。作者简介:
贾晓梅, 女, 工学学士, 讲师, 现从事电厂自动化方面的教学工作。
(收稿日期 2000-11-03)
日本大容量光缆通讯试验成功
日本富士通研究所宣布:大容量光缆通讯试验成功, 相当于一份报纸250a 所容纳的信息量仅用1s 就能传送完毕。目前实用的光通讯传送容量为10Gbit/s, 而富士通研究所新开发的为1100Gbi t/s, 是目前容量的百余倍, 使多媒体时代传送信息量大的动画等变得容易了。
富士通研究所将波长略有差异的55束光信号分别载入20Gbit/s 的信息, 用一根光纤传送, 从而实现了合计1100Gbit/s 的传送容量。传送距离150km, 每50km 处设立一个放大器, 以增强减弱的光信号, 1100Gbit/s 的传送容量大约相当于1500万条电话线路的传送容量。