大型機組末級動葉水蝕的原因分析

0末級動葉出汽邊水蝕在大型汽車組運行一段時間后，可以觀察到不同程度的水蝕，以及葉片破裂的嚴重事故。即使一些設備的末端級葉片沒有損壞，由于嚴重的水蝕，葉片也必須更換。隨著電力工業的不斷發展,我國各大電網電力負荷峰谷差逐年增大,各電網均需要增加大型機組的調頻能力,這就迫使機組在非設計工況下運行,甚至是只帶廠用電運行,因此,末級動葉的出汽邊水蝕問題將會更突出地表現出來。末級動葉的出汽邊水蝕問題直接影響末級動葉的安全性和經濟性。為了弄清大型機組末級動葉的出汽邊水蝕的原因和規律,最近進行了一些現場調查,對此問題作了初步的分析和研究,并提出了預防和減少出汽邊水蝕的措施。1mw機組(1)某電廠運行的300MW機組,末級動葉的L=700mm,D/L=2.907,流型是按等密流設計的。機組的末級動葉的出汽邊均有水蝕。其中一臺機最大負荷為272MW,裝有噴霧式噴水減溫裝置。大修時發現末級動葉出汽邊從根部到350mm左右的高度上有寬度為10mm左右的蜂窩狀水蝕,水蝕深度為1mm～2mm。(2)某電廠運行的200MW機組,末級動葉L=665mm,D/L=3.0075,其流型接近于等密流。基本上是帶滿負荷運行,此機的噴水減溫裝置是管子鉆孔的,該機末級動葉的出汽邊也有水蝕,但程度不一,有的很嚴重,從距離葉根40mm左右向上直至葉高的2/3范圍內有蜂窩狀水蝕,水蝕寬度為10mm左右,深度為1mm～2mm,但有的葉片出汽邊水蝕現象卻比較輕。(3)某電廠運行的是125MW機組,末級動葉是30萬末級動葉截短,長670mm。基本上處于滿負荷運行,而且常有超負荷現象,該機也采用管子鉆孔的噴水減溫裝置。現場所見在末級動葉的出汽邊從根部到葉高1/2的范圍內均有水蝕,但嚴重程度不一樣,重者寬度為8mm～10mm,深度為1mm～2mm。該機的葉輪平衡塊上也有嚴重的水蝕。1.1出汽邊的水蝕(1)凡是具有較小徑高比的末級動葉片,在出汽邊普遍有水蝕現象。水蝕的程度主要與低負荷運行的時間和偏離設計工況的程度有關。(2)大型機組的末級動葉,尤其是那些具有較長時間低負荷運行的機組,其出汽邊水蝕的嚴重程度不亞于進汽邊,且水蝕的傷痕較進汽邊粗糙得多。(3)凡是末級動葉的出汽邊與葉輪后側面齊平的(如上汽廠樅樹型葉根)水蝕從動葉根部開始。凡是動葉出汽邊較葉輪后側面是深進去的(如叉型葉根)末級動葉的出汽邊就從距根部40mm左右的高度上開始。(4)凡是葉片的安裝產生軸向偏移的,即出汽邊較同一級葉輪上其它葉片突出的,水蝕就嚴重。分析上邊歸納的這些現象,可以看出產生末級動葉出汽邊水蝕的原因是當機組在低負荷運行時,動葉根部區域產生回流,回流夾帶著水滴,撞擊在動葉出汽邊背弧上,導致材料的疲勞破壞。1.2音樂流的產生原因回流中夾帶的水滴來源于以下幾個方面:(1)回流從凝汽器中抽吸回來的水滴及回流本身具有的濕度。(2)排汽缸及導流板中一些凸出部件上凝結的水膜,被汽流撞擊而反濺回來的細小薄膜狀水滴。(3)末級葉輪側面上的凝結水滴受離心力作用,而被拋向排汽通道。(4)從端部汽封中流出的濕蒸汽。(5)噴水減溫裝置投運時噴出的霧化水滴。由于以上這些因素,使回流夾帶著大量的,大小不一的水滴。在末級動葉出汽邊水蝕的位置,葉片一般都承受著最大應力,水蝕發生后容易引起應力集中。通過對這個部位的顯微鏡組織觀察,發現了嚴重的晶向裂紋,這就削弱了葉片的強度,改變了葉片的振動特性,從而導致了葉片的嚴重事故(圖1)。2動業根回流的原因2.1流量降低,導葉處增加了汽流,導致補流,脫流主要發生在導葉頂部和動葉底部干目前,我國大功率機組的末級葉片均是按等環量或等密流設計的,沿葉高方向有較大的反動度梯度,為了避免頂部有過大的反動度,根部都設計成具有較小的反動度或負反動度。當機組在非設計工況運行時,末級的焓降要發生變化,流量減少時,由于級前滯止壓力的降低,使末級的焓降減少。這樣一來,噴嘴出口速度和動葉出口速度要降低,從而使通過級的時間要增加。但根據力學規律,動力學體系由不穩定狀態向穩定狀態過渡時,即如果外界作用使物體離開平衡狀態,那么在物體中就會激起一些過程,促使這個作用的影響被削弱。在研究的體系內,汽流通過級的時間的改變,要伴隨有減少它改變的作用,導葉后壓力的降低和在動葉中作用在汽流上的離心力就起到了這一補償作用。根據在導葉后的實測也證實了這一點,隨著流量的減少,導葉后壓力迅速降低,特別是靠近根部區域,噴嘴出口速度變化較小。這在背壓變化不大時,使得反動度降低,以致于反動度變化負值,根部的流動度成擴壓流動,當壓力梯度增加到一定程度后,附面層發生了分離,產生了脫流,脫流進一步發展,就出現了回流。導葉頂部過大的子午面張角,也是引起導葉頂部和動葉根部脫流的主要原因。汽流在從次末級流向末級時,由于大的子午面張角,使得汽流在導葉頂部和動靜間隙中產生強烈的擴壓效應,引起動能損失;在流量減少時,又由于出現了負沖角,引起了動能的附加損失,使得在導葉頂部和動靜間隙中產生脫流。汽流被擠向導葉非脫流區,加大了非脫流區的汽流速度,減少了根部反動度,促使動葉根部脫流的進一步發展。2.2動葉通道中汽流出口點相對進口點轉動的時間當流量減小時,汽流首先在末級動葉頂部失去作功能力并進入耗功工況,隨著流量的進一步減少,耗功范圍逐漸增大,動葉內弧有產生脫流的趨勢。一般大機組末級動葉,汽流通過時,大約需要0.0005s的時間,在這個時間間隔內,動葉轉動近9°,考慮到動葉流道本身的反向彎曲近5°,則在這個時間內,在動葉通道中,汽流出口點相對進口點轉動近4°。當流量減少時,如果動葉根部不產生脫流,則汽流通過的時間要增加,假設汽流通過的時間為0.001s,則在這個時間內,汽流在動葉通道中的出口相對進口點轉動近13°。這對汽流來說,流量減少相對于增加了動葉對汽流的松開作用,因此在動葉汽道內弧可能產生脫流。3機組投運后末級的回流,導致機組b動葉出汽邊的水蝕直接威脅著末級動葉的安全性和經濟性,然而隨著電網裝機容量的增加,大型機組都將要參加電網的調峰,城市中熱電聯產的凝汽式機組也將要陸續被采用,有些機組甚至只帶廠用電,這些都迫使末級在小負荷工況下運行,因此末級根部的倒流也就不可避免。經過比較和選擇,推薦以下3方面的措施,以達到減少或避免水蝕的目的。3.1葉底部脫流,使葉根未除流,設計從葉片本身來看,設計具有較大的根部反動度和較小的反動度梯度的級,顯然能擴大不產生回流的工況范圍。子午面的形狀對動葉根部脫流工況有很大的影響。在導葉根部具有較小的子午面張角的級,對減少動葉根部脫流能起到較好的效果。在導葉根部具有10°張角的級與根部沒有張角的級相比,沒有觀察到流線結構上的本質變化,但卻減少了頂部子午面張角,使導葉頂部的流動得以改善。末級動葉承受著很大的離心力作用,離心力使動葉葉身向相反方向扭曲,產生了動葉的“扭轉恢復”,改善了動葉的安裝角,改變了動靜葉片的面積比,使反動度降低,特別是根部反動度降低得更厲害,所以在葉片設計時應該考慮這一點。另外從上文分析的回流原因可以看出,末級動葉具有較窄的葉片寬度是合理的,但要考慮強度、溫度等多方面的因素,從中取得最佳值。制造廠在制造安裝時應盡量提高工藝精度,以免給葉片帶來附加的水蝕。3.2降低排汽管線的開源量從端部汽封漏進的濕蒸汽和輪盤側面甩出來的水滴每時每刻都射向排汽通道,這些濕蒸汽和水滴夾在回流中撞擊在動葉出汽邊上。為了防止這部分水滴進入排汽通道,可在末級葉輪上增加凸臺,使從葉輪上甩出的水滴遠離動葉出汽邊,最好能甩到汽缸上。對于軸封漏汽可以增加擋板,使漏汽在流向排汽通道過程中增加一次汽水分離的機會,并要做好疏水的工作。凝汽式機組在低負荷或空負荷運行時,熱電聯供的凝汽式機組在關閉回轉隔熱板時,低壓末級的蒸汽容積流量減少了,排汽溫度因鼓風作用而升高,使排汽缸和凝汽器產生熱變形。為了防止這種現象的發生,許多機組都設有噴水減溫裝置。從現場觀察到的噴水裝置來看,有的離出汽邊太近,有的噴水方向是射向出汽邊的,這無疑要增加動葉出汽邊的水蝕。所以要合理布置噴水裝置,使水滴射向排汽缸和凝汽器。對于噴水量,要在試驗的基礎上,確定最佳值。3.3表面活性劑的選擇和抗水蝕雖然對葉片增加保護層是消極的措施,但由于空負荷時回流的必然性,便使得這一措施有了必要性。具體措施可借鑒防止進汽邊水蝕的一些可行辦法,例如采用電火花強化或涂保護層等措施。另外,還必須要注意避免平衡塊的水蝕。現在平衡塊采用的材料均為普通鋼,防水蝕性能較差,現場運行不長時間就已被嚴重水蝕,破壞了轉子的平衡精度。預防措施不外乎采用耐水蝕的材料或涂保護層。以上所推薦的一些措施大多數是針對設計和制造方面的,在電廠先已運行的機組在大修時也應參考上述的辦法進行適當的改進。但更應注意的是,盡量避免機組在脫流工況下長期運行,縮