透平叶片
透平叶片
turbine blade
透平机械（如汽轮机、燃气轮机、水轮机等）中用以引导流体按一定方向流动，并推动转子旋转的重要部件。装在壳体上的叶片称静叶片或导叶，装在转子上的叶片称为动叶片。18世纪中叶，瑞士人L.欧拉对流体力学研究所取得的成果，为透平机械的发展奠定了理论基础。随着各种透平机械的出现和应用，透平叶片得到了相应发展。20世纪80年代，水轮机叶片平均每片发出的最大功率已达50兆瓦。汽轮机长叶片的最高圆周速度接近两倍音速。燃气轮机叶片能在接近金属熔点的1500℃炽热气流中工作。
结构 透平叶片的主体是叶身，其尺寸关系到透平的流通能力(见彩图)。最小的叶片不过5毫米高,用于每分钟数十万转的微型装置中。一只巨型叶片重达46吨,装在中国葛洲坝水电站1号转桨式水轮机中，转轮外径达11.3米。叶身的横截面称为叶型，是决定叶片效率的主要因素。叶身与壳体或转子相连接的部分称为叶根。叶根的样式很多。高速透平机械常用枞树型、T型和双T型叶根。叶片顶部往往覆以围带或叶冠以提高效率，叶身常穿以拉筋以改善振动性能。
透平叶片种类繁多。现代大型电站汽轮机使用几十级由短到长的静、动叶片，使高达30兆帕压力的蒸汽逐级膨胀到约 0.005兆帕的出口压力。末级叶片的长度可达1.5米。 燃气轮机叶片承受1000℃上下的高温，故常制成内有孔道的空心结构，使冷却介质流过孔道,以降低叶片温度。水轮机转速不高，又是单级，低水头的用螺旋桨式动叶片；中等水头的用混流式转轮，这种转轮的叶片扭曲度很大，常与转轴制成一体；而高水头水轮机用的冲击式动叶片，则形如两瓣瓢勺。
对透平机械效率的影响 流体流过叶片时会引起能量损失。叶片能量损失越大，透平机械的效率越低。能量损失主要有叶型损失和端部损失。通过风洞实验等流体动力学的研究,叶型损失已降低到2％左右。端部损失产生于叶顶和叶根两端，随叶高对叶宽之比的减小而增加，故装有短叶片的透平机械效率较低。 可靠性 在高速透平机械中，任何动叶的断落都会引起振动,甚至造成损毁，需要紧急停机检修。因此,叶片的可靠性至关重要。叶片在运行中承受周期性的脉动力和稳态离心力两种载荷。脉动载荷是由透平机械中流场不均匀所激发。转子每转一周，叶片就受到一次或多次脉冲。当脉冲频率接近叶片的自振频率时便会出现共振。叶片强烈振动常是发生事故的根源。解决的办法，除消灭脉冲源外，还可采取：①按机械振动学原理，将叶片设计成自振频率调开共振区的“调频叶片”；②加固结构、增加阻尼、提高强度，将叶片设计或不必调开共振区的“不调频叶片”。离心载荷正比于材料密度和叶片圆周速度的平方。在高速透平机械中，为了减小离心载荷，常将较长叶片制成顶薄底厚并使叶型沿高度逐渐扭转，以适应相应的流动角度的变化。这种叶片称为扭叶片。 因流体冲蚀、腐蚀、气蚀和微粒磨蚀所造成的表面剥落、磨损以及锯齿形、蜂窝状的斑痕，是另一类常见的叶片损坏。通常在叶片易损部位覆盖一层硬质合金来防护。 材料 长期的反复实践证实，含13％铬的不锈钢具有良好的耐蚀性，已成为透平叶片最常用材料。添加镍、钼、钒、钨等合金元素所构成的钢种，可以分别满足水轮机所要求的抗冲刷特性、汽轮机所要求的高强度和热强性。但这些钢种不能承受燃气轮机中600℃以上的高温。30年代出现的奥氏体热强钢可经受700℃的高温,再高温度则需要用以镍、钴为主体的合金。70年代发展的新型合金将材料使用温度提高到1000℃以上。对于1200℃以上更高温度区,人们正在研制新型陶瓷,如氮化硅等材料。汽轮机低压部分的长叶片有采用密度小、强度高、耐腐蚀性好的钛合金的趋势。