透平葉片

turbine blade

透平葉片(1張)

18世紀中葉，瑞士人L.歐拉對流體力學研究所取得的成果，為透平機械的發展奠定了理論基礎。隨着各種透平機械的出現和應用，透平葉片得到了相應發展。20世紀80年代，水輪機葉片平均每片發出的最大功率已達50兆瓦。汽輪機長葉片的最高圓周速度接近兩倍音速。燃氣輪機葉片能在接近金屬熔點的1500℃熾熱氣流中工作。

最小的葉片不過5毫米高,用於每分鐘數十萬轉的微型裝置中。一隻巨型葉片重達46噸,裝在中國葛洲壩水電站1號轉槳式水輪機中，轉輪外徑達11.3米。葉身的橫截面稱為葉型，是決定葉片效率的主要因素。葉身與殼體或轉子相連接的部分稱為葉根。葉根的樣式很多。高速透平機械常用樅樹型、T型和雙T型葉根。葉片頂部往往覆以圍帶或葉冠以提高效率，葉身常穿以拉筋以改善振動性能。

透平葉片種類繁多。現代大型電站汽輪機使用幾十級由短到長的靜、動葉片，使高達30兆帕壓力的蒸汽逐級膨脹到約 0.005兆帕的出口壓力。末級葉片的長度可達1.5米。 燃氣輪機葉片承受1000℃上下的高温，故常製成內有孔道的空心結構，使冷卻介質流過孔道,以降低葉片温度。水輪機轉速不高，又是單級，低水頭的用螺旋槳式動葉片；中等水頭的用混流式轉輪，這種轉輪的葉片扭曲度很大，常與轉軸製成一體；而高水頭水輪機用的衝擊式動葉片，則形如兩瓣瓢勺。

對透平機械效率的影響 　流體流過葉片時會引起能量損失。葉片能量損失越大，透平機械的效率越低。能量損失主要有葉型損失和端部損失。通過風洞實驗等流體動力學的研究,葉型損失已降低到2%左右。端部損失產生於葉頂和葉根兩端，隨葉高對葉寬之比的減小而增加，故裝有短葉片的透平機械效率較低。

在高速透平機械中，任何動葉的斷落都會引起振動,甚至造成損毀，需要緊急停機檢修。因此,葉片的可靠性至關重要。葉片在運行中承受週期性的脈動力和穩態離心力兩種載荷。脈動載荷是由透平機械中流場不均勻所激發。轉子每轉一週，葉片就受到一次或多次脈衝。當脈衝頻率接近葉片的自振頻率時便會出現共振。葉片強烈振動常是發生事故的根源。解決的辦法，除消滅脈衝源外，還可採取：

①按機械振動學原理，將葉片設計成自振頻率調開共振區的“調頻葉片”；

②加固結構、增加阻尼、提高強度，將葉片設計或不必調開共振區的“不調頻葉片”。離心載荷正比於材料密度和葉片圓周速度的平方。在高速透平機械中，為了減小離心載荷，常將較長葉片製成頂薄底厚並使葉型沿高度逐漸扭轉，以適應相應的流動角度的變化。這種葉片稱為扭葉片。 　

因流體沖蝕、腐蝕、氣蝕和微粒磨蝕所造成的表面剝落、磨損以及鋸齒形、蜂窩狀的斑痕，是另一類常見的葉片損壞。通常在葉片易損部位覆蓋一層硬質合金來防護。 　

材料長期的反覆實踐證實，含13%鉻的不鏽鋼具有良好的耐蝕性，已成為透平葉片最常用材料。添加鎳、鉬、釩、鎢等合金元素所構成的鋼種，可以分別滿足水輪機所要求的抗沖刷特性、汽輪機所要求的高強度和熱強性。但這些鋼種不能承受燃氣輪機中600℃以上的高温。

30年代出現的奧氏體熱強鋼可經受700℃的高温,再高温度則需要用以鎳、鈷為主體的合金。70年代發展的新型合金將材料使用温度提高到1000℃以上。對於1200℃以上更高温度區,人們正在研製新型陶瓷,如氮化硅等材料。汽輪機低壓部分的長葉片有采用密度小、強度高、耐腐蝕性好的鈦合金的趨勢。