压水堆核电厂二回路热力系统课程设计

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1、1 设计目的和要求本课程设计是学生在学习 核电站系统及运行 课程后的一次综合训练， 是 实践教学的一个重要环节。 通过课程设计使学生进一步巩固、 加深所学的理论知 识并有所扩展；学习并掌握压水堆核电厂二回路热力系统拟定与热平衡计算的方 法和基本步骤；锻炼提高运算、制图和计算机应用等基本技能；增强工程概念， 培养学生对工程技术问题的严肃、认真和负责态度。 通过课程设计应达到以下要求：（ 1 ）了解、学习核电厂热力系统规划、设计的一般途径和方案论证、优选的原 则；（ 2 ） 掌握核电厂原则性热力系统计算和核电厂热经济性指标计算的内容和方法；（ 3 ）提高计算机绘图、制表、数据处理的能力；（ 4 ）

2、培养学生查阅资料、合理选择和分析数据的能力，掌握工程设计说明书撰 写的基本原则。2任务和内容本课程设计的主要任务， 是根据设计的要求， 拟定压水堆核电厂二回路热力 系统原则方案，并完成该方案在满功率工况下的热平衡计算。 本课程设计的主要内容包括：（1 ）确定二回路热力系统的形式和配置方式；（2 ）根据总体需求和热工约束条件确定热力系统的主要热工参数；（3 ）依据计算原始资料，进行原则性热力系统的热平衡计算，确定计算负荷工况下各部分汽水流量及其参数、发电量、供热量及全厂性的热经济指标；（ 4 ）编制课程设计说明书，绘制原则性热力系统图。3.热力系统原则方案确定方法3.1 热力系统原则方案电站原则

3、性热力系统表明能M转换与利用的基本过程，反映了发电厂动力循 环中工质的基本流程、能M转换与利用过程的完善程度。为了提高热经济性，压 水堆核电厂二回路热力系统普遍采用包含再热循环、回热循环的饱和蒸汽朗肯循环，其典型的热力系统组成如图1所示。迟器?NINoJJ No-2 | Nal1 施水荒怕聚水问热器图1典型压水堆核电厂二回路热力系统原理流程图3.1.1 汽轮机组压水堆核电厂汽轮机一般使用低参数的饱和蒸汽，汽轮机由一个高压缸、23个低压缸组成，高压缸、低压缸之间需要设置外置式汽水分离器。高压缸发出整 个机组功率的40%50% ,低压缸发出整个机组功率的50%60%。最佳分缸压力 =(0.10.1

4、5)蒸汽初压3.1.2 蒸汽再热系统压水堆核电厂通常在主汽轮机的高、低压缸之间设置汽水分离-再热器，对 高压缸排汽进行除湿和加热，使得进入低压缸的蒸汽达到过热状态，从而提高低 压汽轮机运行的 安全性和经济性。汽水分离-再热器由一级分离器、两级再热器 组成，第一级再热器使用高 压缸的抽汽加热， 第二级再热器使用蒸汽发生器的新 蒸汽加热。分离器的疏水排放到除氧 器，第一级、第二级再热器的疏水分别排放 到高压给水加热器。3.1.3 给水回热系统给水回热系统由回热加热器、回热抽汽管道、凝给水管道、疏水管道等组成。回热加热器按照汽水介质传热方式不同分为混合式加热器和表面式加热器，其中高压、低压给水加热器

5、普遍采用表面式换热器，除氧器为混合式加热器。高压给水加热器采用主汽轮机高压缸的抽汽进行加热，除氧器采用高压缸的排汽进行加热，低压给水加热器采用主汽轮机低压缸的抽汽进行加热。高压给水加热器的疏水可采用逐级回流的方式，最终送入除氧器；低压给水加热器的疏水可以全部采用逐级回流的方式，最终送入冷凝器，也可以部分采用疏水汇流方式，将疏入送入给水管道。给水回热系统的三个基本参数是给水回热级数、给水温度以及各级中的始开 分配。其中，给水回热级数的确定可参考图2。图2回热系数对电站热效率的影响选择给水回热级数时，应考虑到每增加一级加热器就要增加设备投资费用,所增加的费用应该能够从核电厂热经济性提高的收益中得到

6、补偿；同时，还要尽 M避免热力系统过于复杂，以保证核电厂运行的可靠性。因此，小型机组的回热级数一般取为13级，大型机组的回热级数一般取为 79级（选取7级）。压水堆核电厂中普遍使用热力除氧器对给水进行除氧，从其运行原理来看，除氧器就是一个混合式加热器。来自低压给水加热器的给水在除氧器中被来自汽轮机高压缸的排汽加热到除氧器运行压力下的饱和温度，除过氧的饱和水再由给水泵输送到高压给水加热器，被加热到规定的给水温度后再送入蒸汽发生器。大型核电机组一般采用汽动给水泵， 能够很好地适应机组变负荷运行，可以 利用蒸 汽发生器的新蒸汽、汽轮机高压缸的抽汽或者汽水分离再热器出口的热再热蒸汽驱动给水泵汽轮机，因

7、而具有较好的经济性。给水泵汽轮机排出的废汽被送到主冷凝器。3.2 主要热力参数选定压水堆核电厂一、二回路工质的运行参数之间存在着相互制约关系，如图3所示。新汽温度给水温度二回路I顶堆也冷却水温度给水I叫热系统 矣讥瘵图3典型压水堆核电厂一、二回路工质温度之间的制约关系3.2.1 一回路冷却剂的参数选择从提高核电厂热效率的角度来看，提高一回路主系统中冷却剂的工作压力是有利的。但是，工作压力提高后，相应各主要设备的承压要求、材料和加工制造 等技术难度都增加了， 反过来影响到核电厂的经济性。 综合考虑， 典型压水堆核 电厂主回路系统的工作压力一般为 1516MPa （ 15.5） ,对应的饱和温度为

8、342347 C。为了确保压水堆的安全， 反应堆在运行过程中必须满足热工安全准则， 其中 之一是堆芯不能发生水力不稳定性,一般要求反应堆出口冷却剂的欠饱和度应至少大于10C,为保险起见，可取欠饱和度大于 1520 C。3.2.2 二回路工质的参数选择二回路系统需要确定的参数包括蒸汽发生器出口蒸汽的温度与压力 （蒸汽初 参数）、冷凝器运行压力 （蒸汽终参数）、蒸汽再热温度、给水温度和焓升分配等。（ 1 ）蒸汽初参数的选择压水堆核电厂的二回路系统一般采用饱和蒸汽， 蒸汽初温与蒸汽初压为一一对应关系。 根据朗肯循环的基本原理， 在其它条件相同的情况下， 提高蒸汽初温可以提高循环热效率，目前二回路蒸汽

9、参数已经提高到 67MPa , 对于提高核电 厂经济性起到了重要作用， 但是受一次侧参数的严格制约， 二回路蒸汽初参数不 会再有大幅度的提高。（ 2 ）蒸汽终参数的选择在热力循环及蒸汽初参数确定的情况下， 降低汽轮机组排汽压力有利于提高 循环热效率。但是，降低蒸汽终参数受到循环冷却水温度Tsw,1 、循环冷却水温升 ATSw 以及冷凝器端差St 勺限制。除了对热经济性影响之外，蒸汽终参数对汽轮机低压缸末级叶片长度、 排汽口尺寸均有重要影响， 因此， 需要综合考虑多方 面因素选择蒸汽终参数。凝结水的温度为Tcd= Tsw,1+ AT sw+St式中，Tsw,1一循环冷却水温度，按照当地水文条件或

10、者国家标准选取AT sw一循环冷却水温升，一般为 612 C;S冷凝器传热端差，一般为 310C。忽略凝结水的过冷度，则冷凝器的运行压力等于凝结水温度对应的饱和压力(3)蒸汽中间再热参数的选择1020 C左右。再即每一级给水蒸汽再热器使用高压缸抽汽和蒸汽发生器新蒸汽加热，所以汽水分离再热器出口的热再热蒸汽(过热蒸汽)比用于加热的新蒸汽温度要低 热蒸汽在第一、二级再热器中的给升、流动压降可取为相等。(4)给水回热参数的选择多级回热分配可以采用汽轮机设计时普遍使用的平均分配法, 加热器内给水的始升相等，这种方法简单易行。每一级加热器的给水给升为h fw,ophs hcdZ 1式中,hs 一蒸汽发生

11、器运行压力对应的饱和水比给， kJ/kg *hcd 一冷凝器出口凝结水比始，kJ/kg ；Z 给水回热级数。采用平均分配法进行回热分配时，其最佳给水比始为 h fw,ophcd z h按照蒸汽发生器运行压力Psg和最佳给水比给hfw,op查水和水蒸汽表，可以确定最佳给水温度Tfw,op o实际给水温度Tfw往往低于理论上的最佳给水温度Tfw,op ,通常可以取为Tfw 0.650.75 几叩(取 0.7)由压力和实际给水温度，再一次通过等给生分配的方法确定每一级加热器内的始升。实际每一级给水始升为：fwkJ/kg ；式中，h fw 一给水比始，kJ/kg ；h cd 冷凝器出口凝结水比给,Z

12、一给水回热级数。缸、低高压、低压给水加热器均为表面式加热器，加热蒸汽分别来自主汽轮机高压 压缸的抽汽。给水加热器蒸汽侧出口疏水温度（饱和温度）与给水侧出口温度之差称为上端差（出口端差）短，蒸汽侧蒸汽温度与给水侧进口温度之差(b )图4表面式换热器的端差对于每一级给水加热器，根据给水温度、上端差即可确定加热用的抽汽温度由于抽汽一般是饱和蒸汽，由抽汽温度可以确定抽汽压力。4.热力计算方法与步骤进行机组原则性热力系统计算采用常规计算法中的串联法，对凝汽式机组采用“由高至低”的计算次序，即从抽汽压力最高的加热器开始计算，依次逐个计算至抽汽压力最低的加热器。这样计算的好处是每个方程式中只出现一个未知数，

13、适合手工计算。热力计算过程使用的基本公式是热M平衡方程、质M平衡方程和汽轮机功率方程 热平衡计算的一般步骤如下：图5热力计算的一般流程1.整理原始资料(1)给水加热器蒸汽侧压力等于抽汽压力减去抽汽管道压损；(2)给水加热器疏水温度和疏水比给分别为汽侧压力下对应的饱和水温度和饱和水比夕含；(3)高压给水加热器水侧压力取为给水泵出口压力(比蒸汽发生器运行压力高0.10.2MPa )，低压给水加热器水侧压力取为凝水泵出口压力(一般取为0.40.5MPa),取压力在每级换热器均匀递减；(4)给水加热器出口水温等于疏水温度减去出口端差；(5)给水加热器出口水温度由加热器出口水比始和水侧压力查水和水蒸汽表

14、确心Ne,假设电厂效率为n, NPP,则反应堆热功率为h fw2.核蒸汽供应系统热功率计算已知核电厂的输出电功率为NeQre,NPP蒸汽发生器的蒸汽产M为QR 1Dshfh hs1 d hs式中，n一回路能M利用系数；h fh 一蒸汽发生器出口新蒸汽比始，kJ/kg ；hs 一蒸汽发生器运行压力下的饱和水始，kJ/kg ；h fw 一蒸汽发生器给水比始，kJ/kg ；&一蒸汽发生器排污率,通常取为新蒸汽产M的1%左右。3.二回路系统各设备耗汽M计算(1)给水回热系统热平衡计算，确定汽轮机各级抽汽点的抽汽M及冷凝器出口凝结水流M Gcd ；第j级给水加热器所需的抽汽M为G fW, j Cp,wT

15、|Tfwi, jGesjew,j h, j式中，G fw,j 第j级给水加热器的给水流kg/s;T fwi,j , T fwo,j第j级给水加热器进口、出口给水温度 ，C;h es,j , hew, j 第j级给水加热器加热蒸汽、疏水的比始， kJ/kg ； n, j 第j级给水 加热器的热效率。(2)汽轮发电机组耗汽M计算，确定计算工况下汽轮机高压缸、低压缸以及汽水分离再热器的耗汽M ;具有Z级抽汽的汽轮机的内功率为Nt,iGt,s h0hes,1Gt ,sGes,1 hes,1hes,2Gt ,sGes,ies,Zhzi 1式中，ho , h z 一分别为汽轮机进、出口处蒸汽比始，kJ/k

16、g ;hes ,i 一汽轮机第i级抽汽点的蒸汽比始，kJ/kg ;Ges,i 一汽轮机第i级抽汽点的抽汽kg/s ；G t,s 一汽轮机总的耗汽M,kg/s。根据上式可以计算得到汽轮机的耗汽M。(3)给水泵计算，确定给水泵汽轮机的耗汽给水泵汽轮机进汽为新蒸汽,排汽参数等于高压缸排汽；给水泵的有效输出功率为N1000G fw H fwpN fwp,pfw式中，G fw 一给水泵的质M流kg/s ;H fwp 一给水泵的扬程，MPa。pw 一给水的密度。给水泵汽轮机的理论功率为N fwp, pN fwp,tfwp,p fwp,ti fwp,tm fwp,tg式中,nwp,p 一汽轮给水泵组的泵效率

17、；rfwp,ti , ?fwp,tm , rfwp,tg 一分别给水泵组汽轮机的内效率、机械效率和减速器效率。给水泵汽轮机的耗汽M为GN fwp,tGfwp,s H a式中，Ha给水泵汽轮机中蒸汽的绝热给降，kJ/kg(4)确定对应的新蒸汽耗MGs，进一步求出对应的给水MGfw,由Gfw与各级 加热器 的疏水求出G； d(5)比较Gcd与Ged,若相对误差大于1%,返回步骤(1)进行迭代计算，宜到 满足 精度要求为止。(6)确定二回路系统总的新蒸汽耗M nG fhGs,ii 14 .核电厂热效率计算根据以上步骤计算得到的新蒸汽耗计算反应堆的热功率G fh hfh h fwdG fh hs hf

18、wQr 进而可以计算出核电厂效率为Nee,NPPQr5 .计算精度判断将计算得到的核电厂效率e,NPP与初始假设的e,NPP比较，若绝对误差小于0.1%,即完成计算，否则以e,NPP为初始值，返回步骤2进行迭代计算。5.设计与热力计算按照初步设计基本流程，首先确定压水堆核电厂二回路热力系统原则方案，并根据已知条件和给定参数，选择确定一、二回路工质的主要热力参数，然后采用定功率计算法对热力系统原则方案进行 100%功率下的热平衡计算，确定核电 厂效率、总蒸汽产M、总 给水M、汽轮机耗汽M、给水泵功率和扬程等主要参数，为二回路热力系统方案设计和优化提供基础。5.1 已知条件和给定参数初步设计所依据

19、的已知条件和给定参数如表1所示序号项目符号单位取值范围或数值1核电厂输出电功率NeMW10002一回路能灵利用系数10.99? 1.0 取 0.9943蒸汽发生器排污率d1.05%4汽轮机组相对内效率i0.78? 0.90高压缸取0.79，低压缸取0.895汽轮机组机械效率m0.98? 0.99 取 0.986发电机效率ge0.98? 0.99 取 0.987新蒸汽压损 pMPa p= (3%? 7%) pfh 取 5%8再热蒸汽压损 pMPa p Ne=l(J A&;Ed=0.0105;dpou.4 nl=O.C94 ；U 口 11=0.69;nm=0.Afl； nge-098jnh=0.S

20、8f Hfwp-先发电切率(KW 虻彳巨踣能量刹埔曲松任压缸内效率粥汽轮机生机制澈率隔卷电和雄6.7; pw=918.19; nfwpp-0.5&;nfwpti=0.8;r txvptm =0.9; nfwptg=0.98; Hfh=277d,9s46;Hg = 842.86; Hp* 1241.17;ithz=03615;xzl=OJ95;踽水密滇嗨幅篇盘机内雄水泵i 18和减速器蔻至治蒸汽发生耗出口存汽比席(kj/kq )第蒸汽鬼生碾水加(kj/kg )绪破空器运衍压力下的毓水焙(kj/kg粥着压 缸flE汽干度注T再热器的干虔Shortcuts 创 How to Add ?J Whats

21、 NewOVR事 StartA MATLAB R2012aFile Edit Debug ParallelQesktop Wndow Help皋刁0Current Folder: G:MATLABShortcuts Zl How to Add ZJ Whats NewHho=2480.12;Hhi=2774.9782;Hli=2938.3463;Hlo=2296.495&Hsrhl=2614.86;Hzsl=1018.9756;Hsrh2=2783.348;Hzs2=1219.8773;Hfw=707.227;怕压缸由口删%鬲压血口蒸世口焙%任压缸出口焙第汽水分斋再热器筠一级抱气焙 务汽水分瞽

22、再热器第一级烷水焙分离再碍策卫抱*为珈分离再二%分藩器分水比焙%局01加热器中的半均焙升碾熙器中的平均焙升hl=99.46;h2=117.6;Hfwi=146.6448 246.10 345.56 445.02 544.48 643.94 743.40;Hfwo=246.10 345.56 445.02 544.48 643.94 743.40 842.86;将口焙(|g/g)96各篇力出口焙(Qlcg)He 二2377.40 2525.49 2666.18 2803.096 2480.12 2448.787 2531.89;%每一级葩给水灯拦器的加热率Hw=254.06 353.61 453

23、.235 552.88 0 753.57 854.18;%每一级给水加碍诜水比席H-10Q for Gslp=100:3000fx if abs(H-Hfwo(5)/Hfwc(5)(Hw(2)-Hw(l)/(Hc(l)-Hw(l )/nh; wl=(x ? Gles(l) ? Gles(2) ? Gles(3)Gles(4)(Hli? Hlo)十 Gies qHli? Hc(l)+Gle5 ( 2)qHli? H2AA/(乙小乙M) sqp列娶胡姿萃I些犁: q6_uju比M二乙仃f(rNH 出 出我中 蚣H(劫 H出 H 人(乙)2H94( 9)dH 出 Hh(T) qU94( 0HH?出

24、H)A9=l!绘盘S IMApsD曙斜碍第善弓豳警试里*同聚乔T96:zqx/Tzx.diso+eapsgxig:zip(/(zi|x? Tzx)d|S9 ?乙中刃订中?(2)s 咫 9? (T)s 叫X ?(H) 9=PS9 : (9) mH? (9AH) Nu)/(? mh?Tszh)J + s+(9)mh? (JmhL(乙中为+(乙)s 叫弓 I).中？八？蚀 9) =( I) s 叫 9 : (JmH? (ZPH) 2u)/(J mh?乙 SZH)忆中为.中？叫 9) =0)s 叫 9 current Fo-dermgn sjeqM 7 PPV ox moh 莎 sinouoqs日 X

25、HJLVN-9 -AP|Od iUGJ-ino 您心n I曰，dopjSGQ 向凹昭 6nqaa Ijpg 引日吃 io? axnivN 7File 而 DeAug Parallel desktop J/Vindow 旦己 1|?:na /？刁oCurrent Folder: G:MATLABShortcuts _ / How to Add d what5 New1 d环(令*汽就珂充三呈心/Gsfwppod dimp (诒 7 痛!迨出量 kg/!-)Gfw品徂潍水舷桎MPa-)Hfwpdi sp (誓l级高陶器抽汽星如/sTGhes(l)昴何第2镰岗金苗水址楞雷霍k#)Ghesf;)d*整

26、逊低压给水|疏翩ft汽量也/叨Gles(l)disp(A2s&高压给水加拣器抽1三星日勺/门GT昴但背3畿高四M:桶强汽量匕何01A(3)Current Folder: G:MATLABQVRdi甲摩4级离压皓水i陵砂汽量也 GI龄系U* Start运行结果如下4 MATLAB R2012aFile Edit D 亡虽 jg Parallel desktop JAindow 旦已 Ip/？刁0Shortcuts 由 How to Add WhatW New4)p，od Nepp =I?P应堆秀功銮MWQ=1059?e-OoGshp =1.4172t+03MO I=sueLPZO八L=sue00

27、0Z90- CurrenL do FM9N S.】叫 M (7 PPV OJ MOH 7 sjnDiioqs?0 ?axnivvMVo Pl。d|AH Mopu M dopjsaQiAiiejed 6nqy i? P3 引日BAO|TO一玄 8V11VN *pe;s pZ8ST=(H)9s/6习曹W窿喝STZZ9Z=d/vAsgs/6习善9券也班连*黑9地Z=eapsgI Current: Fo-s/6鲁9生罂删AAN sjeqM 7 ppv oi moh 7 sjnDUoqsHEaXHIVNVO Pl。： ！ Juajjno ?匡如嫌心& 殆费 |9 0二d|dH MopuiA dopfSG

28、Q |d|ejed 6nq? ( ijpg 弓I 日陀 102B 9V11VN血 MATLAB R2012aFile Edit Debug ParallelDesktop Window Help:Qt3? Current Folder: G:MATLAB宙Shortcuts How to Add ? Whats New79.3226第级任砂水加热简B；气星kg/sans =45.3856第2级高压给水加热器拒汽量kg/sans =46.4992垂B铜庄绐水加热器ans =jx 47.7873IIOtartA MATLAB R2012aFile Edit Debug Parallel Deskt

29、op Window 旦 elp口日扮冈 韵？ | Current Folder: G:MATLABShortcuts 1M How to Add Whats New2POcpJ篦2边高矽水加热奋同Ptkg/sans =no46.4992553级高压绐水抗热碗汽星 kg/s ans =47.7873算d级高压给水加热参汽呈 kg/ ans =inC349.1733fii I4Start5.4热平衡计算结果序号项目符号单位计算结果1核电厂效率Nepp%32.692反应堆功率GlesiMW3.0593e+063蒸汽发生器总蒸汽产 iDsKg/s1.5705e+034汽轮机高压缸耗汽MGshpKg/s

30、1.4172e+035汽轮机低压缸耗汽MG slpKg/s9986第一级再热器耗汽MGsrh1Kg/s74.96787第二级再热器耗汽MGsrh2Kg/s76.52218除氧器耗汽MGsdeaKg/s37.40369给水泵汽轮机的耗汽iGsfwpKg/s76.771510给水泵的给水MGfwKg/s158711给水泵扬程H 厂1 fWpMPa6.700012高压缸抽汽M第1级高压给水再热器 抽汽MGhes1Kg/s74.0247第1级高压给水再热器 抽汽MGhes2Kg/s79.322613低压缸抽汽M第1级低压给水再热 器 抽汽MGles1Kg/s45.3856第2级低压给水再热器 抽汽MG

31、les2Kg/s46.4992第3级低压给水再热器抽最Gles3Kg/s47.7873第4级低压给水再热器 拄汽MGes4Kg/s49.17336.热力系统图绘出压水堆核电二回路系统图7 结果分析与结论结果分析：热平衡计算结果的表格可以看出，核电厂效率n e,NPP 偏低，其他数据都比较符合事实。从热平衡计算书（即整个计算过程）可以看出，有一些因素对 效率会产生影响，以下是具体分析。影响效率的困素主要有以下几点：1 ）设 计中所选初参数较低，导致新蒸汽温度低，因而使得热力循环的效率较低，最终影响核电厂效率。2 ）计 算书中各个管道的压损（主要包括新蒸汽压损、再热蒸汽压损、回热抽汽压损等）是自己

32、在一定范围内选择，可能与实际情况有所差距，而且为 了简化计算是， 蒸汽在管道中的流动是近似假设为其焓值不变，在汽轮机做功时假设其熵值近似为定值。这对计算结果会有一定的影响，但是影响 不大。另外，在求解高压、低压给水加热器各级抽汽时并没有考虑各级疏水回流， 这导致本用来加热给水的热量被去掉， 从而使得抽汽量的计算结果偏大， 耗汽量 增加，从而使得效率偏低， 也就是有用的热量被人为地排除掉， 从而使能量利用 率降低，即效率减小，这是导致核电厂效率耳e,NPP 比真实效率偏低的最主要原因， 通过此分析也可以判断出各级抽汽量比真实值大。若采用逐级自流的方式， 则会由于疏水加热的影响而使压力较低级的抽汽

33、减 少，因而增大了凝汽量，产生一个附加的冷源损失，进一步使效率降低。所以在 不考虑疏水加热的情况下则应采用疏水冷却器的方式对上级疏水进行冷却后再与下级疏水汇合最终流入凝汽器或除氧器。下面将对整个二回路系统的设计结果进行具体的分析。 为了设计方便，采用一个高压缸、三个低压缸组成的冲动式汽轮机组，由于 使用低参数的饱和蒸汽， 蒸汽流量较大， 为平衡一部分轴向推力， 高低压缸均采 用对置分流的形式。这样可提高汽轮机组的内效率，减少寿命损耗。另外，高低压缸的排汽湿度达到了百分之十几， 可看出汽轮机运行时的湿度较大， 因此在实 际运行中要确保汽轮机的疏水正常， 以防止湿汽对叶片的腐蚀和甩负荷时的超速 现象。