汽轮机末两级叶片水蚀的原因浅析及防范措施.docx

汽轮机末两级叶片水蚀的原因浅析及防范措施泸天化股份公司热电车间 雷勤泸天化股份公司生产部 钱军摘 要主要从汽轮机的冲动原理及末级叶片水冲蚀的形成机理着手 ,浅析汽轮机最末两级叶片水冲蚀的原因 ,通过原因分析找出其改进及防范措施 。关键词汽轮机叶片水冲蚀措施1 前言3 汽轮机技术规范及本体概述汽轮机叶片 (以下简称“叶片 ”) 是汽轮机的关键零件 ,又是最精细 、最重要的零件之一 。它在 极苛刻的条件下承受高温 、高压 、巨大的离心力 、 蒸汽力 、蒸汽激振力 、腐蚀和振动以及湿蒸汽区水 滴冲蚀的共同作用 。叶片的空气动力学性能 、加 工几何形状 、表面粗糙度 、安装间隙及运行工况 、 结垢等因素均影响汽轮机的效率和出力 ; 其结构 设计 、振动强度及运行方式则对机组的安全可靠 性起决定性的影响 。研究汽轮机末级长叶片的水 冲蚀形成机理 ,可有效的解决机组在偏离原设计 工况 (低负荷工况 ) 下运行的经济性与安全可靠 性 。本文主要从汽轮机的基本工作原理和末级叶 片水冲蚀的形成机理着手 ,详尽地阐述了造成汽轮 机末两级叶片水冲蚀的原因 。通过分析 ,找出热电 车间 3# 、4#汽轮机末两级叶片水冲蚀的原因 ,以及在今后的低负荷工况下运行 ,应如何改进或调整运行工艺指标来防止末两级叶片水冲蚀的措施 。311 技术规范额定出力 : 12 MW 主汽门前蒸汽压力 : 311316 M Pa 主汽门前蒸汽温度 : 420445 排汽压力 :正常参数时额定工况为 - 01097MPa。312 汽轮机形式本机为单缸 、冲动式 , 双抽汽凝汽式 , 共有 9级叶轮 ,一 、三级为双列速度级 ,其余为压力级 。313 汽轮机的抽汽 本机具有四段抽汽 :2#( 1 )一段调整抽汽 (第二级叶轮后 ) ,原供高压加热器 ,现已停用 。目前主要供高压除氧器 ,同时并入股份公司低压蒸汽管网 ,以及外供部分 厂外用户 。P = 017 112 M Pa, t = 330 ,额定抽汽量nn50 t / h,实际抽汽量 60 t / h。( 2 )二段非调整抽汽 (第三级叶轮后 ) ,原供1#高压加热器 ,现已停用 。P2 = 01485 M Pa, t2 = 250 。( 3 )三段调整抽汽 (第四级叶轮后 ) ,供 3# 、4#低压除氧器和软水加热器 。PT = - 0103 0115 M Pa, tT = 180 ,额定抽 汽量 40 t / h,实际抽汽量 48 t / h。( 4 )四段非调整抽汽 (第五级叶轮后 ) ,供低 压加热器 。2 设备概况泸天化股份公司热电车间 3# 、4#机均为上海汽轮机厂 1964 年制造 的 CC12 型 双 调整 抽汽 凝 汽式汽轮发电机组 。 3#机组于 1965 年 12 月建成 投产发电 , 4#机组于 1966 年 3 月建成投产发电 。4#机于 1993 年 12 月更换了由上海汽轮机厂制造 的新转子 ; 4#机换下的旧转子经东方汽轮机厂修复后 ,于 1996年 12月更换在了 3#机上 。P = - 010025 M Pa, t = 120 。443532008年第 4期汽轮机末两级叶片水蚀的原因浅析及防范措施4 汽轮机的基本工作原理嘴流出来的汽流方向也不是与叶轮运动方向平行的 ,而是有一夹角 。如图 2 所示 ,蒸汽在喷嘴内膨 胀达到较高的速度 C1 ,这种高速汽流进入动叶片 以后 ,对动叶片作用有冲动力 Fim ,同时压力由 P1 降至 P2 ,蒸汽继续膨胀加速 , 故对动叶片亦作用 有反动力 Fre 。冲动力 Fim 与反动力 Fre的合力为 F,在此力的作用下使叶片向左运动 。因此 ,反动 式汽轮机既利用了冲动作用原理 ,又利用了反动 作用原理 。411 力的冲动作用原理在汽轮机中 ,蒸汽以很高的速度从喷嘴中流 出 ,冲击在叶轮的工作叶片上 ,使叶轮转动 。如图1 所示 ,蒸汽以速度 C1 流向一圆弧形动叶片 , 汽 流进入该叶片后 ,沿内弧所构成的汽道逐渐改变 流动方向 ,最后以速度 C2 流出汽道 , C2 的方向恰 与 C1 相反 。蒸汽的每一微团沿动叶片内弧流动 时 ,都受到向心力的作用 ,根据牛顿第三定律 ,此时动叶片承受蒸汽微团作用给它的大小相等 、方向相反的离心力 。假如作用在位置 1、26上的离心力分别为 F1 、F2F6 。在点 1 处的离心力 F1 可分解为轴向力 Fz1和周向力 Fu1 ,在 6 点处的离心 力 F6 可分 解为 轴 向力 Fz6 和 周 向 力 Fu6 。 轴向力 Fz1和 Fz6恰好抵消 ,同样点 2 与点 5、点 3与点 4 的轴向力也抵消 。因此 ,蒸汽微团的离心力在轴向上的分力之和等于零 ,而周向力之和为Fim u = Fu1 + Fu2+ Fu6 ,在该力的作用下叶片向右运动 ,因此蒸汽对动叶片做了机械功 。力Fim u称为冲动力 ,这就是汽轮机的冲动作用原理 ,即汽流在动叶汽道内不膨胀加速 ,只改变流动方向 。图 2蒸汽对反动式汽轮机叶片的作用力5 汽轮机末级叶片水冲蚀的产生机理及其危害汽轮机末级叶片的水蚀主要表现为出汽边水蚀和进汽边水蚀 ,下面分别对其形成的机理及危 害进行详尽分析 。511 末级叶片出汽边水蚀产生机理汽轮机在低负荷运行时 ,末几级的工况变化 最大 。机组功率越大 ,低压级组子午流道扩张角 越大 ,叶高越增加 ;当其相对设计工况的容积流量 急剧减小时 ,会使流场参数发生很大变化 。末级长叶片在小容积流量 、真空工况运行时 ,原设计流 场被破坏 ,叶片底部会出现较大的负反动度 ,末级 叶片沿叶高的热力参数将重新分布 ,沿汽缸壁和 叶轮的汽流发生了分离 ,汽流在动叶片根部和静叶栅出口顶部出现汽流脱离 ,形成倒涡流区 。整 个汽道只通过小部份汽流 ,相对的容积流量越小 ,漩涡区越大 ,分离的相对高度也就越大 。末级叶 片反动度设计的大小对低负荷下分离程度有着显图 1 蒸汽对动叶片的作用力412 力的反动作用原理在实际汽轮机中 ,动叶片并不是圆弧形 ,从喷354泸 天 化科 技2008年第 4期著的影响 。根部反动度设计值越小 ,当容积流量减少而偏离设计值方向时分离的越早 ,分离的相 对高度也越大 ,反之亦然 。对汽轮机末级叶片各种负荷完全平衡计算结 果表明 :当负荷低于 60 %时 ,根部出现负反动度 ,当负 荷 降 低 至 40 %时 , 根 部 反 动 度 即 可 达 到 负 值 。同负反动度一起出现的是动叶前后近根部的 递压梯度 ,此时动叶后的静压力将大于动叶前的 静压力 ,在这种汽流条件下将使叶型表面的附面 层增厚乃至脱离 ,为在根部区形成一个较大的倒涡流区造成外部条件 。负荷越低倒涡流区越大 , 特别是在起动和并网初始 ,倒涡流范围甚至扩大 到整个排汽缸 。功率较大的凝汽式汽轮机 ,其末 级排汽湿度总是比较大的 ,末级动叶后汽流中携 带有大量的水滴 ,涡流的蒸汽运移着水滴冲击在高速旋转的动叶片下半部的出汽边 。对某些长叶 片 ,在低负荷或高背压时 , 会产生大范围的倒涡 流 ,甚至达到叶高的 2 /3 以上 ,对于这类叶片 ,出 汽边的水冲蚀就变得非常严重 。512 末级叶片进汽边水蚀产生机理51211 大水滴的形成汽轮机在低负荷运行时 ,末几级的进汽量急 剧减少 ,蒸汽在膨胀到湿度为 215 % 3 %的区域 时 ,出现极微直径的水滴 ,而后迅速增大到直径约 为 1m 的水滴 。在流过静叶汽道时 ,小部份水滴被叶片俘获 ,有的聚集在静叶前缘 ,有的聚集在内 弧凹面 ,逐渐连成水膜 ,水膜发展到一定厚度 ,就 被汽流所撕碎 ,成为直径数十到数百 m 的大水 滴 ,以不同方式撞击动叶的前缘 。正是这部份大 水滴 ,尽管只占全部湿份的 10 %以下 , 却是水蚀 的祸首 。51212 大水滴与叶片的相互作用( 1 ) 在静叶出口尾迹中的一股主流 ,有各种 尺度的水滴 (最大直径可达 300m ) ,以一定的负 攻角撞击动叶的进汽背弧 。尺寸大的流速较低 , 负攻角较大 , 撞击点较近前缘 ; 尺寸小的流速较高 ,负攻角较小 ,撞击点较远 ,冲蚀力也较小 。( 2 ) 在动 、静叶间隙中的一股大水滴 ,以接近 于圆周速度撞击动叶前缘 ,造成迅速蚀坏 。( 3 ) 由动叶回弹到静叶面上的小股水滴 ,会 使静叶出汽背弧的某些部位也受到轻微水蚀 。513 末级长叶片水冲蚀的危害末级长叶片水冲蚀所造成的后果不仅使叶栅的气动性能恶化 、级效率降低 ,更严重的是对汽轮 机的安全运行造成威胁 。水冲蚀形成的锯齿状毛 刺造成应力集中以及减小叶型根部截面的面积 , 还会影响到叶片的振动特性 ,大大地削弱叶片的强度 ,这就增加了末级叶片断裂的危险性 。6 末级长叶片水冲蚀普遍性的初步分析611 汽温汽温过低 ,汽轮机末几级的蒸汽湿度增加 ,使 末几级叶片的湿汽损失增大 , 加剧了蒸汽对动叶 片的冲蚀作用 ,缩短了叶片的使用寿命 。612 真空真空过高时 ,可能使末级叶片过负荷和湿度 增大 ,加速叶片水蚀 。613 负荷汽轮机在低负荷或空负荷情况下运行时间过 长 ,此时末级叶片在小容积流量工况下会产生汽 流在叶片根部的脱流和叶片顶部的涡流现象 。由于末级排汽湿度大 ,汽流中夹带的水滴随蒸汽倒 流冲击叶栅 ,从而使末级长叶片的根部以及顶部 进 、出汽边造成水蚀 。614 湿蒸汽湿蒸汽对动叶片具有冲蚀作用 ,特别是水珠 的离心力大而被抛向叶顶 ,使叶顶的湿度大于叶根 ,同时叶顶的圆周速度大 ,叶顶的水珠入口角更大 ,所以在动叶片顶部造成的冲蚀作用最为严重 。615 抽汽凝汽式汽轮机因采用回热循环 ,部份蒸汽在 汽轮机流动过程中被抽出 ,用于加热给水 ,所以通过最末级的蒸汽量变小 。特别是汽轮机在低负荷 工况下投入抽汽运行时 ,末几级的进汽量将急剧 减少 ,蒸汽在膨胀到湿蒸汽区域时 ,出现水滴 ,使 末级长叶片水蚀 。73# 、4#汽轮机末级叶片冲蚀的原因浅析上世纪 90 年代末期 ,随着能源的日趋紧张以及公司通过对新 、老系统进行技改后 ,天然气供量 的不足就比 较凸 显 。为 节 约天 然气 用 于化 工生产 ,本站两台 12MW 汽轮发电机组采取一开一备3552008年第 4期汽轮机末两级叶片水蚀的原因浅析及防范措施的运行方式 ,且发电量通常控制在 3MW 左右 (只投入三段抽汽 ,一段抽汽停用 ) ,机组的功能主要 是作为公司的无功补偿和保安电源 。由于以上原因 ,两台机组投入三段抽汽运行 时所带电负荷均低于制造厂 6MW 投入三段抽汽运行的规定 。因此 , 4#机组于 1997 年 12 月进行 更换转子后的第一次大修时 ,发现第九级叶片进 汽边出现轻微冲蚀现象 ; 2002 年 4 月进行第二次 大修时 ,发现第八级叶片围带局部亦出现了冲蚀 现象 、第九级叶片进汽边出现较为严重的冲蚀现象 。 3#机组于 2001 年 4 月进行更换转子后的第 一次大修时 ,发现第九级叶片进汽边出现冲蚀现 象 ; 2005 年 8 月进行第二次大修时 , 发现第九级 叶片进汽边冲蚀现象较 2001年时有较大增加 (见 图 3 ) 。观察 3# 、4#机末两级叶片进汽边沿顶部向叶根方向约 300 400mm 长度的蜂窝状锯齿形 的冲蚀痕迹 , 再结合 1995 年 2005 年的汽轮机 组运行报表统计分析 ,造成 3# 、4#机末两级叶片进 汽边顶部冲蚀的原因主要有以下几个方面 。通过前面对汽轮机末级叶片进汽边水蚀产生机理的分析表明 ,在通流面积保持不变的情况下 , 汽轮机在低负荷运行时 ,末几级的进汽量急剧减 少 ,蒸汽在膨胀到湿度为 215 % 3 %的区域时 , 出现水滴 。在静叶出口尾迹中的水滴 ,以一定的负攻角撞击动叶的进汽背弧 ;尺寸大的流速较低 , 负攻角较大 ,撞击点较近前缘 。正是这部份大的 水滴 ,造成了汽轮机末级叶片进汽端的迅速蚀坏 。汽轮机在低负荷工况下运行时 , 末几级的容 积流量急剧减小 。末级叶片在小容积流量工况下运行时 ,汽流在动叶片根部和静叶栅出口顶部出 现汽流脱离 ,形成倒涡流区 ,负荷越低倒涡流区越 大 。由于汽轮机的末级排汽湿度较大 ,部份蒸汽 将凝结成水滴 ,涡流的蒸汽运移着水滴冲击在高 速旋转的动叶片上 ,从而使末级长叶片的进汽边顶部造成水蚀 。712 进入汽轮机的主蒸汽温度低于 420 在机 组运行期间占据一定的比例汽温过低 ,汽轮机末几级的蒸汽湿度增加 ,从 而使部份蒸汽凝结成了水珠 ;水珠悬浮在蒸汽中 ,通过摩擦作用 ,使水珠获得加速 ,当水珠进入动叶 片时 ,其入口角大于蒸汽的进汽角 ,水珠正好冲击 在动叶片进口边的叶背上 。由于水珠的离心力大 而被抛向叶顶 ,使叶顶的湿度大于叶根 ,同时叶顶 的圆周速度大 ,叶顶的水珠入口角更大 ,因此在动叶片顶部造成的冲蚀作用也就最为严重 。713 机组运 行 真 空 一 般 均 保 持 在 - 01092 -01096M Pa真空高 ,即汽轮机背压降低 ,对应的排汽饱和 温度降低 ;虽然提高了机组运行的经济性 ,但亦使 汽轮机末几级的蒸汽湿度增大 ,末几级叶片的湿汽损失增加 ,加剧了蒸汽对动叶片的冲蚀作用 ,缩 短了叶片的使用寿命 。因此 ,低负荷工况下凝汽 器保持过高的真空 ,对汽轮机运行的安全性是不 利的 。图 3 3#机第 9 级叶片进汽边水冲蚀状况图711 超低负荷运行 ,末级进汽量少由于 90年代末期汽轮发电机组带三段抽汽 的超低负荷运行 (低于制造厂 6MW 投入三段抽 汽运行的规定 ) , 使得汽轮机最末两级的 进汽 量 大大减少 。通过对汽轮发电机 、低压除氧器及锅 炉给水运行报表的统计 ,计算出低负荷工况下汽 轮机后 汽 缸 的 排 汽 均 量 (即 最 末 两 级 的 进 汽 均量 )约为 7 t / h,远低于机组 6MW 负荷相同锅炉给 水量下的 20 t / h。83# 、4#汽轮机末级叶片水蚀的防范措施通过上述分析发现 ,造成 3# 、4#汽轮机末级叶片水冲蚀的主要原因为低负荷 、低进汽温度和高真 空 (即低背压 ) 。末级长叶片水冲蚀使叶栅的气动性能恶化 、级效率降低 ,同时也给汽轮机的安全运356泸 天 化科 技2008年第 4期理的真空下 ( - 01088 - 0109M Pa)运行 。行造成严重危害 。因此 ,应采取相应的防范措施 。811 增强末级动叶片进汽边的表面硬度机械上 ,传统的方法是采用在动叶片进汽边 镶焊司太立合金的工艺进行处理 。通过图 3和图4 的实际效果图观察发现 , 4#汽轮机末级动叶片进汽边已进行了司太立合金的镶焊 , 3#汽轮机转 子虽较 4#机后更换三年时间 ,但因其末级动叶片 进汽边未进行司太立合金的镶焊 ,其末级动叶片 进汽边的水冲蚀裂度比 4#机深 。因此 ,建议先对3#机末级动 叶片 进 行镶 焊司 太 立 合 金 工 艺 的 处理 ,然后再对 3# 、4#机的末两级动叶片采用喷涂抗 水蚀涂层的工艺进行处理 ,一方面避免了更换水 蚀叶片的昂贵代价和补焊水蚀叶片造成变形的不 良后果 ;另一方面可使叶片在运行过程中防止叶 片被进一步水蚀 ,亦可预防新的叶片水蚀 。812 严格控制工艺指标( 1 ) 运用三元流理论验算并有选择性地进行 流场和动应力测试 ,以确定机组带最低负荷的安 全限制值 ,并将其列入运行规程 。( 2 ) 低负荷工况运行时 ,应适当减少三段抽汽量 ,以增加进入汽轮机后汽缸的蒸汽流量 。( 3) 尽量缩短机组在空负荷附近的运行时间 。9结束语本文以热电车间 3# 、4#汽轮机第九级动叶片进汽边水冲蚀为例 ,通过汽轮机的基本工作原理 并结合大量的运行报表 、资料 ,详细地分析了热电 车间 3# 、4#汽轮机末级叶片水冲蚀的形成原因及 其危害 ,并针对以上实例分析 ,提出有效的防范及 整改措施 ,希望能有部分内容对公司透平机的运 行 、维护及管理具有一些参考价值 。参考文献汽轮机叶片的安全防护 1机械工业出版社 大功率汽轮机设备及运行 1电力工业出版社 汽轮机设备及运行 1电力工业出版社 汽轮机运行 1中国电力出版社施红辉 ,俞茂铮 1 汽轮机低压级动叶片的水