摘要：专业人士以大量断裂的汽轮机叶片为研究对象，经实验分析得出疲劳断裂是造成汽轮机叶片损伤的主要原因。因为叶片处于复杂的工作环境，受力十分难判断，因此时有叶片断裂事故出现，造成相关工作人员伤亡，故必须分析汽轮机叶片断裂的原因。根据叶片断裂的形式不同，可将其分为应力疲劳损坏、腐蚀疲劳损坏等几种破坏成因。应通过对叶片断裂的原因做出探寻并提出对应的解决方案，有效杜绝汽轮机在使用过程中因叶片断裂造成的安全事故和阻碍正常生产等现象。基于此，本文主要对强度计算与汽轮机叶片断裂事故进行分析探讨。
关键词：强度计算；汽轮机叶片；断裂事故
前言
汽轮机能否正常运转，叶片起着至关重要的作用。而其选材、加工乃至安装等都决定汽轮机组的安全运行。以往汽轮机叶片断裂事故经常发生，虽然目前我国的机械制造技术日趋完善，汽轮机叶片断裂事故鲜有发生，但其断裂的原因必须找到，以防止安全隐患的存在。
1、设备介绍
某电厂9#机组设计为双抽汽式汽轮机组，型号为CC50-8.83/3.73/1.47型，有两段调整抽汽，第一段调整抽汽压力为3.73MPa，在压力第二级后;第二段调整抽汽压力为1.47MPa，在压力第五级后.根据实际需要，电厂只需用第一段抽汽，供2台中压25MW机组用，低压抽汽不用.制造厂提供了一个低压调压器解列时汽轮机运行工况图，根据该工况图，当主汽门前压力为8.83MPa，温度为535℃时，可得到下列运行工况的界限:中压调整抽汽量Qm=220t/h，可带电负荷为67.5MW;中压调整抽汽量Qm=100～200t/h，可带电负荷为60MW;中压调整抽汽量Qm=0，可带电负荷为50MW.
2、有关校核计算情况介绍
2.1试验数据与计算参数的确定
根据某电厂实际情况，为了得到实际运行工况下的流量及压力13级的有关参数，先后进行了两次热力试验，在叶片强度计算时，选取了六个工况点，如表1所示。
表 1 实际运行时计算工况点
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注:表 1 括号中数字为计算时工况序号
该机组第十三级前有一抽汽口，此抽汽口在正常运行时处在湿蒸汽区，因该区的压力和温度在h-s图上为一条线，无法确定第十三级参数.为了确定第十三级级前参数，本计算采用三种常用方法进行计算.
1)正推法
本机组第四段抽汽口在正常运行时各参数在过热区，试验过程中还在过热区，以第四段抽汽口参数为基础，结合设计工况下参数，正推到第十三级叶片，求出各种参数.
2)平移法
根据凝汽式汽轮机在变工况下除最未级外，其余各级焓降基本不变的理论，在设计工况有关参数的基础上，在h-s图上采用直线平行的办法，确定第十三级各种参数.
3)反推法
汽轮机在变工况条件下，凝汽器的工况基本保持不变，实验也证明了这一点.根据设计工况有关参数，通过反推，即从第十四级排汽口反算到第十三级进汽口，求出第十三级有关参数.
2.2径向平衡法计算该级流量
本计算采用常规径向平衡法进行计算，径向平衡法公式如下
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式中ρ为蒸汽密度;C21u为蒸汽轴向流速;r为半径.
叶片根部反动度通过多次反复计算，最后确定为Ψr=0.05，计算流量与实际测量流量误差均小于5%，具体计算结果如表2所示.
表 2 计算流量与实测流量值 (kg/s)
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2.3叶片叶型有关参数的确定
为了计算叶片各段有关叶型参数，将叶片分成十段，利用切割工具将叶片等份为十等分.第十三级叶片为变截面叶片，计算离心应力采用等份叠加法计算.计算公式如下
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式中Amj为第j段的平均面积;Ai为第i段面的面积;Rr为叶片根部半径;ω为汽轮机转速.
2.4蒸汽弯应力计算
采用变截面叶片计算公式，将叶片分成十段进行计算.
1)截面模量计算.
为了计算准确，将叶片放大10倍，通过高斯法进行计算
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求出x、y轴的惯性矩和截面模量等有关数据.
2)叶片安装角βs的数据，参照有关书籍选取后再加以修正.
3、流量和功率变化对第十三级叶片应力的影响
由于第十三级叶片为偏装叶片，各试验点的弯应力加上偏心弯应力得出合成应力.计算出六个实测工况的合成应力.通过分析发现在第四段截面上合成应力最大.各段最大合成应力如表3所示.
表 3 试验功率与最大合成应力的关系
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由此可见，随着功率的增加，蒸汽流量增加，第十三级前压力增加，蒸汽弯应力增大，合成应力增大.当功率大于45MW后，合成应力增加速率大于功率增加速率，具体如图1所示.主要原因是二段抽汽没有使用，当功率大于45MW后出现通流面积不足，造成叶片过载.
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图 1 功率与合成应力关系
4、事故原因分析
该机组自投产以来连续发生两次断叶片事故.第一次断叶片时该机组仅运行3800多小时，该机在带负荷运行中因车头振动增加，经降负荷处理等无效而停机，在停机过程中发现通过临界转速时振动剧烈，采取破坏真空迅速停机.第二次断叶事故是在一次效率试验将负荷提高到60MW左右时，仅运行3d就发生了断叶片事故.该厂在再次发生断叶片事故后，对全国部分同型机组进行了调查，发现多数机组也发生了几乎与之相同的断叶片事故.
4.1断叶片事故概述及原因分析
1)该机至出事故止，共计运行3382h.事故时，负荷47MW，汽温、汽压、真空等均正常.
2)从断口情况看，#26、#27叶片断面粗糙凹凸不平，断痕清新，#24断口靠出口汽侧平整，有不太清楚的疲劳纹.因此是#24叶片先断，而后其断落的叶片又将#26、#27击伤，并很快断落.从#24叶片的断口分析可以看出，叶片断口有四个区域.首先是发源区，叶片开始裂纹，从这个区的断面看，断痕较老，呈暗黄色，断面不平整，似有一个较大的力打击而致.
3)从#24叶片断面分析该叶片是首先受到了一个较大的力的作用产生裂纹，而后再发展到直断落.经该级叶片探伤检查，有19片叶片几乎都在相同的位置上发现横向裂纹.经仔细观察发现叶片在有裂纹处的出汽边有波浪形的扭曲现象，可以认定该级叶片在运行中曾经受到了较大的应力，在此力作用下，才会在较短的时间内发生大面积叶片断裂事故.虽在事故后叶片频率有所降低，但仍然是合格的.事故后叶片频率降低的主要原因是由于叶片裂纹或很大的弯曲变形产生的，而不是由于叶片组装质量不良而引起的频率下降.十三级叶片为自由叶片，从叶片频率试验看，该级叶片在运行中不会产生共振，从断口分析也说明这一点，即开始时裂纹发展较慢，疲劳纹不清晰，说明裂纹发展时其应力水平是较低的。该级叶片位于第五段抽汽口后，叶片事故后，势必会怀疑到该级叶片是否受到过水击.经了解运行人员及查看运行日志，并多次至现场分析疏水系统，由于低加未发生过满水事故，该级叶片在运行中未受过水击.通过以上分析，并没有找出断叶片的原因，因此对该级叶片强度进行计算.
4.2安全倍数的计算
对于1Cr12Mo叶片材料，取σ0.2=450MPa，考虑叶片的安全，取叶片的ns=1.7，则[σ]=264.7MPa.按此计算可得以下结果.中抽流量120t/h，负荷51MW时，安全倍率为
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中抽流量200t/h，负荷54.2MW时，安全倍率为
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根据我国汽轮机行业标准，叶片的安全倍数n=1.5～2.0，由此可以看出，此叶片静强度偏低.
5、结论
5.1叶片断裂原因
根据叶片强度计算得出表3及图1所示的负荷与合成应力的关系曲线，可以得出一个很重要的结论，即负荷与合成应力有很大的关系，随着负荷的增高，应力曲线越陡削，若按制造厂给出的负荷范围，在中抽流量120t/h，带电负荷为60MW，则根据图1曲线的趋势，应力值会超过250MPa，显然这时的安全裕量就没有了，因此造成该机压力13级叶片大面积断裂事故的主要原因.因该机组低压抽汽堵掉后，按中压抽汽流量组给出的电负荷值偏大，当超过某一电负荷后，由于流量偏大，使压力13级通流面积不够而使动叶片两边压差增大，应力急剧增加所致.
5.2防止断叶片措施
经强度计算，为了保证有一定的安全裕量，建议中抽200t/h时限带电负荷53MW，中抽120t/h时限带电负荷50MW.该机按上述工况运行六年多，未发生断叶片事故，证明该控制负荷的措施是有效的，在同类型机组上具有广泛推广价值.
参考文献：
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[2]张兵，郑准备，王小迎，等.汽动给水泵汽轮机叶片断裂机理分析[J].热加工工艺，2007，（24）：73-75，78
论文作者:盛显伟
论文发表刊物:《电力设备》2020年第1期
论文发表时间:2020/4/22
标签：叶片论文; 应力论文; 汽轮机论文; 工况论文; 负荷论文; 事故论文; 机组论文; 《电力设备》2020年第1期论文;