失效占比42%高温振动腐蚀三重考验！一文读懂燃机叶片设计关键！

排行榜 2025年09月24日 07:57 1 admin

长三角G60激光联盟陈长军导读：采用涡轮叶片发电的发电厂通常要求叶片具备特定性能，如高强度、抗疲劳性、耐腐蚀性以及耐高温性。高温合金和陶瓷复合材料是制造叶片常用的材料。在涡轮叶片生产过程中，一个常见问题是可能出现影响叶片性能和使用寿命的缺陷或瑕疵，例如铸造缺陷、材料夹杂物以及制造过程中冷却不足等。为减少这些问题并确保涡轮叶片的可靠性，发电厂会采用严格的检测流程和质量控制措施。当改变涡轮叶片所用材料时，通常需要改进材料成分和设计，以提高叶片的效率和性能。根据具体的应用场景和预期效果，涡轮叶片可进行多种改造，常见的改造方式包括先进合金材料改性、涂层处理、陶瓷基复合材料（CMCs）应用、翼型设计优化、冷却技术改进以及叶尖改造。需要注意的是，涡轮叶片具体的改造方式会因涡轮类型（燃气轮机、蒸汽轮机、风力涡轮机等）、运行条件以及改造目标的不同而有很大差异。

<1 引言>

涡轮机在发电厂发电过程中起着关键作用，可将多种形式的能量（如化石燃料燃烧产生的热能或水、风产生的动能）转化为机械能，进而驱动发电机发电。涡轮机是发电厂的核心部件，为高效、可靠地收集和转化能量提供了保障。燃气轮机的材料创新始终是必要的，因为材料承受高温的能力越强，发动机的效率就越高。在当今技术时代，提高工业燃气轮机参数的需求增长迅速，因此必须提高其效率。这促使全球制造商研发新技术、新材料和新制造方法，以提升工业燃气轮机的效率。其中，材料起着至关重要的作用，因此所选用的材料必须能够承受极端条件，并实现最高效率。研究发现，42% 的燃气轮机故障是由涡轮叶片故障引起的，因此涡轮叶片是需要重点关注的部件。涡轮叶片是发电厂中的关键组件，叶片故障会导致发电厂停运，进而给社会造成经济损失。因此，有必要深入分析故障原因，以提高涡轮机系统的可靠性。

1.1 燃气轮机部件及工作循环描述

发电厂中用于发电的涡轮叶片通常需要具备高强度、抗腐蚀、抗疲劳以及耐高温等性能，其制造材料多为超级合金或陶瓷复合材料。

如图 1 和图 2 所示，燃气轮机中与气体流动相关的关键部件包括：

进气口：外界空气由此进入涡轮机系统，通常配备空气过滤器和管道，用于将空气导向压气机。
压气机：压气机由多级旋转叶片组成，这些叶片对进入的空气进行压缩，提高空气的压力和温度。这一过程是通过将旋转叶片的动能转化为压缩空气的势能来实现的。
燃烧室：空气经压气机压缩后，形成高温高压空气进入燃烧室。在燃烧室内，燃料被喷射并与空气混合，随后发生燃烧反应，生成高温高压的气流。
涡轮机：来自燃烧室的高温高压气体进入涡轮机部分。涡轮机由多排静叶片和动叶片组成，当气体流经叶片时，会将自身的能量传递给叶片，使涡轮转子旋转。
排气口：气体中剩余的能量在排气口处要么转化为有用功，要么作为废热排出。排气气体离开涡轮机后，根据具体应用场景，既可以用于驱动其他设备（如联合循环发电厂），也可以直接排放到大气中。

图 1：燃气轮机示意图

图 2：燃气轮机部件图

燃气轮机的工作过程通常是循环进行的，主要包括四个阶段：进气、压缩、燃烧和排气，具体流程如图 3 所示：

图 3：燃气轮机循环过程图

进气：空气通过进气系统进入涡轮机。
压缩：空气进入压气机后，经过多级压缩。每一级压缩都会提高空气的压力和温度。
燃烧：燃料被喷射到压缩空气中，混合气体在燃烧室内被点燃。燃烧产生的高温高压气体迅速膨胀，释放出能量。
排气：仍处于高压状态的排气气体流经涡轮机，推动涡轮机旋转。涡轮机的旋转一方面驱动压气机运转，另一方面带动与之相连的机械设备（如发电机或飞机螺旋桨）工作。之后，排气气体排出涡轮机，释放到环境中。

这种循环过程持续进行，使燃气轮机能够持续发电。

1.2 燃气轮机叶片的工作条件

燃气轮机叶片的工作环境极为恶劣，需承受高温、高转速，并暴露在腐蚀性气体中。其工作温度可达数百摄氏度，叶片的设计需确保在这样的环境下既能保持结构完整性，又能实现高效的气动性能。为控制温度，通常会采用薄膜冷却和内部冷却通道等冷却机制。燃气轮机叶片的制造材料多为高强度合金，如镍基超级合金，这类合金能够承受机械应力和热应力的双重作用。为确保叶片始终处于良好的工作状态，并及时发现磨损或损坏迹象，工作人员会对叶片进行定期检查和维护，具体情况如图 4 所示。

图 4：燃气轮机叶片热损伤情况：（a）叶片前缘末端材料过热区域；（b）前缘过热区域及裂纹；（c）材料过热导致叶片断裂

1.3 燃气轮机叶片存在的问题及解决措施

在涡轮叶片生产过程中，一个常见问题是易产生缺陷或瑕疵，这些问题会影响叶片的性能和使用寿命，例如铸造缺陷、材料夹杂物或制造过程中冷却不当等。为减少这些问题，确保发电厂中涡轮叶片的可靠性，会采用质量控制措施和严格的检测流程。发电厂中涡轮叶片可能出现的问题多种多样，以下是一些常见问题及相应的解决措施：

1. 侵蚀与腐蚀：由于恶劣的工作条件，涡轮叶片会接触蒸汽和高温气体，容易发生侵蚀和腐蚀。解决措施包括使用抗侵蚀材料、施加涂层，以及通过定期检查及时进行维护和更换，具体如图 5 和图 6 所示。

图 5：热腐蚀及其作用机制说明

图 6：燃气轮机叶片硫化现象

2. 疲劳与开裂：反复的热循环和高转速运行可能导致涡轮叶片出现疲劳和开裂问题。使用具有高抗疲劳性能的先进材料、改进冷却技术，以及采用无损检测方法进行定期检查，有助于在裂纹发展到严重程度之前发现并处理问题，具体如图 7 所示。

图 7：燃气轮机叶片疲劳失效情况

3. 结垢与沉积：灰尘、污垢或盐类等外来物质在涡轮叶片表面堆积，会导致叶片结垢，降低其工作效率。采用合适的过滤系统、进行水处理以及制定定期清洁流程，可有效减少结垢和沉积现象，具体如图 8 所示。

图 8：典型轴流压气机表面严重水合盐结垢情况

4. 振动与叶片共振：过度振动和共振可能导致叶片失效。通过精确的设计与工程计算，包括振动分析和动平衡处理，可缓解这些问题。同时，定期监测和维护也能尽早发现异常振动情况，具体如图 9 所示。

图 9：现场收集的失效一级高压燃气轮机叶片

5. 气动效率下降：随着使用时间的推移，涡轮叶片的气动性能可能会逐渐下降。定期清洁、维护叶片以及优化叶片轮廓，有助于恢复并提升其气动效率。需要注意的是，解决涡轮叶片问题需要专业工程师和技术人员的参与。发电厂运营方通常会制定专门的维护和检测方案，以应对这些问题，确保涡轮机安全高效运行。

为提高涡轮叶片的性能和效率，对其材料进行改性通常需要改进材料成分和设计，具体方法包括：

先进合金：研发具有更优异力学性能（如更高抗蠕变性和热稳定性）的高温合金，使涡轮叶片能够承受恶劣的工作条件。
涂层处理：施加特殊涂层，如热障涂层（TBCs）或抗侵蚀涂层，可保护涡轮叶片免受腐蚀、氧化和磨损，延长叶片使用寿命并提升性能。
陶瓷基复合材料（CMCs）：采用轻质且耐高温的陶瓷基复合材料制造涡轮叶片，可减轻叶片重量、提高热效率，并使叶片能够承受更高的温度。
翼型设计优化：借助先进的建模和仿真技术，优化涡轮叶片的气动设计，提高气流效率，减少能量损失。
冷却技术改进：采用更先进的内部冷却技术，如薄膜冷却或内部冷却通道，可更有效地散热，防止叶片过热，延长叶片使用寿命。

这些改性措施旨在全面提升发电性能、降低维护成本并提高涡轮机效率。这里的 “改性” 指对燃气轮机叶片的表面涂层、材料成分或设计进行改造或优化，以提高叶片的耐用性、降低排放量、提升效率、改善性能或解决特定的运行问题。根据燃气轮机的具体应用需求和预期目标，改性方式会有所不同，常见的改性措施包括气动性能改进、热障涂层应用、材料研发以及冷却方法优化等。

<2 燃气轮机中的涡轮叶片材料>

燃气轮机的涡轮叶片通常采用高温合金制造，这类合金强度高、耐热性好，能够承受燃气轮机内部的恶劣环境。高温合金多以镍或钴为基础，即使在高温和高强度机械应力条件下，也能保持良好的力学性能。此外，为延长涡轮叶片的使用寿命，防止叶片发生氧化和腐蚀，还会在叶片表面施加先进的涂层。通常情况下，燃气轮机叶片由能够承受高温和高压的高性能材料制成，常见材料包括：

镍基高温合金：这类合金具有出色的抗蠕变性、耐腐蚀性和高温强度，是制造涡轮叶片的理想材料。
单晶结构高温合金：经过特殊设计，这类合金具有优异的力学性能，且抗疲劳、抗蠕变能力强。
定向凝固超级合金：这类合金具有柱状晶粒结构，兼具高强度、抗蠕变性和热稳定性。
陶瓷基复合材料（CMCs）：由陶瓷纤维和陶瓷基体构成，具有低密度、抗热震性好以及高温稳定性强等特点。
热障涂层（TBCs）：涂覆在涡轮叶片表面，可保护叶片免受高温氧化和热应力的影响，其材料通常为陶瓷，如氧化钇稳定氧化锆。

选择这些材料时，会充分考虑材料性能，以确保燃气轮机高效可靠运行。但需注意，具体燃气轮机的设计要求不同，所使用的材料也可能有所差异。

定向凝固（DS）叶片或单晶（SX）叶片也被称为选择性燃气轮机叶片，在燃气轮机中的应用可提高燃气轮机的功率和使用寿命。这类叶片采用超级合金等先进材料制造，且具有特殊的微观结构。

通过选择性凝固工艺，可使叶片的晶粒沿主应力轴方向排列（形成定向凝固叶片的柱状晶或单晶叶片的单晶结构）。这种工艺能消除可能降低材料性能的晶界，减少材料在高温和机械载荷作用下发生蠕变和疲劳的风险。

选择性燃气轮机叶片（定向凝固叶片或单晶叶片）具有单晶或定向排列的柱状晶粒结构，因此强度更高、抗蠕变性更强、抗热疲劳性能更优。由于能够在更高温度下工作，采用这类叶片的燃气轮机可输出更高功率，且效率更高。同时，得益于材料性能的提升，这类叶片所需的冷却量减少，散热效果更好。

在发电和航空航天领域，选择性燃气轮机叶片是不可或缺的部件，对提高燃气轮机的整体性能、可靠性和使用寿命具有重要意义。

2.1 燃气轮机叶片的测试与检验

为确保燃气轮机叶片的性能、可靠性和安全性，需对其进行一系列测试和检验，具体包括：

无损检测（NDT）：采用无损检测技术（不会对叶片造成损坏）检测叶片表面的裂纹、缺陷和不规则情况，常用方法有目视检测、渗透检测、磁粉检测和超声检测。
破坏性测试：为评估叶片的强度和材料性能，可能需要对叶片进行破坏性测试，如拉伸测试、压缩测试或疲劳测试，以确定叶片承受工作应力的能力。
金相分析：通过分析叶片材料的微观结构，发现可能影响叶片性能的异常情况或缺陷。
热性能测试：将叶片置于高温环境中，评估其承受热应力的能力，确保叶片在工作状态下能保持形状和结构完整性。
振动与模态分析：对叶片进行振动和模态分析，研究叶片的动态特性，找出可能存在的共振频率和潜在的结构缺陷（这些缺陷可能导致叶片失效）。
叶片平衡测试：通过这类测试确保叶片平衡良好，以减少振动、提高性能并防止叶片过早磨损。
疲劳寿命评估：通过对叶片进行反复加载和卸载，评估叶片的耐用性，估算叶片的工作寿命。

2.2 气体的影响

燃气轮机运营方需关注气体的具体成分及其可能对叶片材料和性能产生的影响。通过定期维护、检测以及合理选择叶片材料，可减少气体对燃气轮机叶片的损坏。

不同燃料的成分和燃烧特性不同，对燃气轮机叶片的影响也存在差异，但总体而言：

高粘度燃油：指粘度高、能量密度大的重质燃油或残渣燃油。燃烧高粘度燃油会使燃气轮机叶片表面产生更多沉积物和结垢，长期下来会降低涡轮机的效率和性能，因此需要定期清洁和维护叶片。
低粘度燃油：指粘度低、硫含量少的轻质馏分燃油。与高粘度燃油相比，燃烧低粘度燃油产生的沉积物和结垢较少，对叶片性能的影响更小，所需的维护工作也更少。
天然气：与燃油等液体燃料相比，天然气燃烧更清洁，产生的污染物和颗粒物更少。天然气对燃气轮机叶片结垢和老化的影响相对较小，因此可延长维护间隔，提高叶片效率。
其他气体燃料：燃气轮机可使用的气体燃料种类繁多，具体影响需根据气体的燃烧特性和纯度来判断。不同气体对叶片的影响差异较大，例如甲烷对叶片老化的影响较小，而氢气等气体反应性较强，可能导致叶片严重腐蚀。
燃烧产物：燃烧过程中会产生二氧化碳（CO₂）、水蒸气（H₂O）和氮氧化物（NOₓ）等气体。这些燃烧产物可能在叶片表面形成沉积物，降低叶片效率，并可能导致叶片侵蚀或结垢。
进气成分：进入涡轮机的空气成分也会对叶片产生影响。空气中的污染物、灰尘和其他颗粒物会侵蚀叶片并导致叶片结垢；相对湿度较高时，空气中可能形成液滴，这些液滴会侵蚀叶片表面或导致叶片腐蚀。
冷却气体：涡轮叶片内部通常设有冷却通道，通入冷却气体以维持叶片温度稳定。冷却气体的温度和压力会影响叶片的热应力分布和冷却效果。

无论使用何种燃料或气体，要确保燃气轮机叶片的使用寿命和最佳性能，都需进行适当的维护工作，包括定期清洁、检测和监测。

2.3 燃气轮机与蒸汽轮机叶片受影响情况对比

由于燃气轮机和蒸汽轮机的工作条件及工质不同，两者的叶片所受影响也存在差异。

燃气轮机叶片

温度：燃气轮机的工作温度高于蒸汽轮机，这会导致燃气轮机叶片承受更大的热应力。
侵蚀：燃气轮机内的高速气流会逐渐侵蚀叶片，尤其是叶片的前缘区域。
氧化：燃气轮机叶片长期暴露在高温燃烧气体中，容易发生氧化反应，因此需要施加防护涂层。
振动：燃气轮机运行时产生的振动较大，若不加以控制，会缩短叶片的疲劳寿命。
结垢：燃气轮机的燃烧过程会导致污染物在叶片表面沉积，造成叶片结垢，降低叶片效率和性能。

蒸汽轮机叶片

湿气损坏：蒸汽轮机内的湿气会导致叶片侵蚀、腐蚀，蒸汽中的水滴也会撞击叶片，对叶片造成损坏。
叶片沉积：蒸汽中携带的矿物质、盐类或杂质会在叶片表面沉积，影响叶片的气动性能和效率。
应力腐蚀开裂：在高温、机械应力和湿气的共同作用下，蒸汽轮机叶片可能会出现应力腐蚀开裂现象。
热疲劳：蒸汽轮机在启动和停机过程中会经历热循环，这种循环可能导致叶片因热疲劳而损坏。
冷凝水撞击：冷凝水滴撞击蒸汽轮机叶片表面，会导致叶片侵蚀和损坏。

综上，燃气轮机和蒸汽轮机的叶片各有独特的受损形式。燃气轮机叶片更容易受到高温相关问题的影响，如热应力、侵蚀和氧化；而蒸汽轮机叶片则更多地受到湿气相关问题的困扰，如侵蚀、腐蚀和叶片沉积。例如，在某起蒸汽轮机叶片失效案例中，叶片榫舌断裂时，裂纹出现在圆角处。榫舌下表面与转子圆盘槽之间的腐蚀是导致叶片失效的原因，其中榫舌处的断裂由腐蚀疲劳引起，而圆角处的裂纹则是应力腐蚀开裂造成的，具体情况如图 10 和图 11 所示。