摘要：水蚀对汽轮机的安全性和经济性有重要的影响，水蚀会导致汽轮机的安全隐患和效率损失，也关系到叶片的使用寿命。本文对不同负荷和叶片高度下的质量流失率进行了计算，计算结果表明汽轮机长时间在80%负荷下连续运行会有轻微的水蚀，而如果在50%负荷下连续运行一年以上时，叶片的上半部分都会出现严重水蚀。
一 引言
由于汽轮机叶片的运行环境和状态决定了叶片的水蚀研究很难在实验的条件下进行。所以当前的很多数据都是通过材料研究实验或者是现场被水蚀的叶片中得出的，但是它不能全面反应汽轮机叶片在不同环境下的水蚀情况和环境参数，只能定性的分析水蚀的机理和趋势。故本文通过数值模拟和经验公式相结合的方式，研究在不同负荷下叶片水蚀情况，为叶片的防水蚀和安全运行提供参考。
二 水蚀的形成及机理
当叶片工作在湿蒸汽区，湿度、水滴直径和水滴速度达到一定程度后，叶片持续工作一段时间后就会产生水蚀的现象，就会在叶片或者在汽缸上产生凹凸不平的坑和在叶片的边缘产生锯齿状的水蚀。
水蚀的发展一般可以分为3个阶段：第一阶段是潜伏期：这个阶段就是水滴高速撞击叶片使得在叶片内部产生裂纹并且还在扩大，但叶片质量没有减少。第二个阶段是发展期：这一个阶段是叶片水蚀最快的阶段，叶片的表面已经产生裂纹，有质量的流失而且流失率比较大，使得在叶片表面产生的凹凸不平的坑。第三阶段是稳定期：在这个阶段由于凹凸不平的坑内积满了水，使得在叶片表面形成了一层水膜，有了这个水膜水滴撞击叶片是有了缓冲，过到达叶片表面的撞击力就减小，所以水蚀率减少，质量流失率也在变缓。
三 水蚀的危害
汽轮机叶片在高速高温高压的环境下工作，高速旋转时使得叶片会产生强大的离心力，当完整的叶片可以工作在这个工况下，但是一当叶片受损的情况下，叶片承受离心力的能力就会大大降级，如果严重的时候，会使叶片断裂，严重威胁着机组的安全运行，而水蚀会使叶片受损，而且现在起来经常工作在低负荷下，这样的情况就会更严重了。所以对水蚀的研究是必要的。
四 计算公式及判断条件
由于经验公式非常之多，但是精确程度各有不同，通过多方面的考虑本文用美国WESTHOUSE公司也提出了准确性相对较高的叶片水蚀公式[1]作为计算水蚀的经验公式，这个公式在模型参数和流体参数的上考虑的比较全面，故相对的要精确。把质量流失率作为水蚀程度的衡量标准。所谓质量流失率就是在高速流冲击或者腐蚀下，由于磨损、腐蚀等损伤使得流失掉的那部分质量。
判断：当E<0.1时叶片就是正常的寿命，当E≥0.1时就会产生水蚀，缩短使用寿命。由于这个公式用了非常多的变量，所以相对来说更接近实际，故本文就用这个公式作为水蚀计算的公式。本文计算所用的数据是通过数值模拟得到的，通过叶片水蚀公式[1]进行计算。
五 计算结果及分析
从水蚀的发展来看，本文通过计算公式所得出的质量流失率，是在水蚀发展过程中的第二个阶段发展期，这个时候汽轮机叶片的水蚀的速度很快。
下面用C语言编程计算后得出的数据所画的图：图1-1是叶片的在不同负荷下的质量流失率（这里计算出的质量流失率为汽轮机连续运行一年后的失去的质量）。从图1-1中可以看出来，随着负荷的减少，质量流失率也增大。从公式的判断条件来看，当E>0.1是就有水蚀，故从图1-1中可以看出，在100%负荷时基本上没有水蚀，在90%负荷时叶顶有部分的质量流失率，已经接近0.1了，但是还没有产生水蚀。在80%和70%负荷时在叶片的中上部和叶顶水蚀，但是对整个叶片来说水蚀的地方还是不大，这个时候就要注意，但还可以正常运行。但是在60%和50%负荷时基本上，叶片的三分之二都处于水蚀的状态，而且水蚀的质量流失率还很大，如果汽轮机长期在这个负荷及以下运行时叶片可能会出现断裂，给汽轮机的安全运行带来威胁。叶片的水蚀率最大的地方出现在叶片的中心偏上和叶片顶点偏下的位置，分别是0.808m和1.236m，这个位置应该是防水蚀处理的重点。而且在图1-1和图1-2中在相同叶高的情况下，没降低10%负荷质量流失率的递增，而且增大的程度非常的快。结合变工况湿度模拟结果可见在50%负荷时的湿度是最小的，但是水蚀的程度却是最大，水滴数也是最大的，而且湿度和水滴数目绝大部分都分布在叶片的上半部分，这符合水蚀计算的结果。
图1-1 不同负荷的质量流失率
图1-2 同一高度下不同负荷的质量流失率
50%负荷时动叶的级前压力比较低，汽流速度相对要低，所以大直径的水滴在汽流改变方向时由于惯性的作用而撞向叶片产生水蚀。从多少现场运行经验中发现末级叶片顶端和叶片中上部发生的水蚀情况比较严重，叶片长期在低负荷下运行，导致叶片的顶部出现了非常严重的水蚀，计算结果也表明了这个情况。由于叶片在运行过程出现的断裂，断裂位置大都在叶片的离叶顶1/3处，与计算结果的分析一致的。
六 结论
从计算的结果来看，叶片随着负荷的降低，水蚀程度就越快。在同负荷下，叶片的负荷绝大部分在叶片的上半部分，而且水蚀的最大的位置就在叶片的中部偏上和叶顶偏下的位置。与变工况的参数计算结果的比较说明了结果是准确的，与现场水蚀叶片进行的分析对比也可看出，汽轮机叶片水蚀在上半部分比较多，计算结果与此相符。结论：在叶片连续运行1年以上的情况下，在50%、60%负荷下运行就会出现叶片严重水蚀而且会出现断裂的情况；在70%和80%负荷下运行会出现中度的水蚀，要加强观察；在90%和100%负荷时叶片出现不水蚀或者轻微的水蚀，对运行不会有影响；而且每降10%的负荷，叶顶和中部的水蚀程度就急剧的增加。
参考文献：
[1]Blad．Erosion．Westiong house Electric Corp．PH25909
论文作者:吴鸿辉
论文发表刊物:《电力设备》2018年第36期
论文发表时间:2019/6/4
标签：叶片论文; 负荷论文; 汽轮机论文; 质量论文; 公式论文; 流失率论文; 水滴论文; 《电力设备》2018年第36期论文;