空壓機(jī)組汽輪機(jī)振動(dòng)大的原因分析

孟繁勇

（西山煤電官地礦， 山西 太原 030022）

1 空壓機(jī)組汽輪機(jī)概述

在汽輪機(jī)的發(fā)展過程中，隨著對于電能需求量的不斷增大，使得汽輪機(jī)穩(wěn)定性難以達(dá)到預(yù)期的標(biāo)準(zhǔn)，出現(xiàn)了振動(dòng)明顯的問題，長期的劇烈振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致安全事故的發(fā)生，所以需要對產(chǎn)生劇烈振動(dòng)的原因進(jìn)行深入分析和探究。主要是通過嚴(yán)格的測試來確定部件在初始階段的故障，并在故障實(shí)際發(fā)生之前予以排除，但是由于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)吸入大量的空氣，在這種情況下，任何與空氣夾帶在一起的固體物質(zhì)都會(huì)通過侵蝕或撞擊造成損害，在實(shí)際汽輪機(jī)工作和運(yùn)行過程中，通過機(jī)械機(jī)制（例如疲勞）發(fā)生的故障很少見，除非是由異常環(huán)境引起的。而壓縮機(jī)的葉片需要抵抗高轉(zhuǎn)速以大的離心負(fù)荷形式施加的高機(jī)械負(fù)荷，往往會(huì)由于過度損耗而導(dǎo)致抖振現(xiàn)象發(fā)生。較為典型的汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1 所示[1-2]。

在圖中1，發(fā)動(dòng)機(jī)的前部是壓縮機(jī)，壓縮機(jī)與渦輪相連。壓氣機(jī)和渦輪由多級小翼型葉片組成。有些級與內(nèi)軸相連并高速旋轉(zhuǎn)，而其他級則保持靜止。軸、壓縮機(jī)和渦輪機(jī)的組合稱為渦輪機(jī)械。在壓氣機(jī)和渦輪之間的流道是燃燒部分或燃燒器，這是燃料和空氣混合燃燒的地方。然后將熱排氣連接到發(fā)電機(jī)的渦輪機(jī)發(fā)電。從進(jìn)氣端開始，葉片級被命名為R0、R1 等。從R0 級到更高級葉片尺寸逐步減小。空氣進(jìn)口端的壓縮機(jī)外殼在工廠正常關(guān)閉時(shí)可以進(jìn)入，表面溫度不是很高，外殼裝有標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)，以監(jiān)測工廠運(yùn)行期間的殼體振動(dòng)。從裝有整個(gè)工廠的絕緣艙中取出信號電纜，處理并記錄其信號，以便在線或離線分析[3]。

圖1 汽輪機(jī)示意圖

2 汽輪機(jī)組出現(xiàn)劇烈振動(dòng)的原因分析

2.1 汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子R3 級葉片失效

為了避免燃?xì)鉁u輪葉片高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)生疲勞需進(jìn)行周密設(shè)計(jì)，不少研究學(xué)者提出了較有參考價(jià)值的研究成果。而研究表明，如果考慮一個(gè)葉片的固有頻率為500 Hz，那么適用應(yīng)力的循環(huán)速率為1.8106周期每工作小時(shí)，這足以在不到700 h 內(nèi)達(dá)到109 個(gè)循環(huán)。所以任何形式的葉片外部損傷，比如刻痕或凹痕，都會(huì)造成葉片和設(shè)備的損耗。Choi Yeon-Sun 致力于燃?xì)廨啓C(jī)葉片失效的研究。在運(yùn)行過程中，用加速度計(jì)測量了汽輪機(jī)的振動(dòng)。結(jié)果表明，葉片的疲勞斷裂起源于燃燒室內(nèi)部的瞬態(tài)事件，這與組裝葉片的共振條件非常接近。本文采用創(chuàng)新方法對某210 MW 燃?xì)廨啓C(jī)葉片進(jìn)行了失效分析。第3 級的一個(gè)壓氣機(jī)葉片在機(jī)翼根部失效。葉片的振動(dòng)碎片對壓縮機(jī)較高級的葉片造成了損壞。圖2 顯示了壓縮機(jī)的損壞部分。附帶損害可以看到階段下游的R3。為了保證兩臺(tái)相似設(shè)計(jì)運(yùn)行的燃?xì)廨啓C(jī)可靠運(yùn)行，對汽輪機(jī)進(jìn)行了可靠性振動(dòng)分析。針對壓氣機(jī)R3 級葉片失效的情況，決定在一個(gè)專用機(jī)架上，對存放在機(jī)匣外的一個(gè)備用轉(zhuǎn)子的每個(gè)下級的幾個(gè)葉片進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)。與蒸汽輪機(jī)不同，燃?xì)廨啓C(jī)的葉片短而剛。它的固有頻率在0～3 000 r 時(shí)沒有顯示出很大變化，特別是在高級葉片。使用的標(biāo)準(zhǔn)模態(tài)測試工具包括沖擊錘和加速度計(jì)。采用劃槳錘法，在15 個(gè)位置對每個(gè)階段的典型葉片進(jìn)行撞擊，用3 個(gè)加速度計(jì)提取響應(yīng)。

在本文提到的方法中，利用采集的信號提取葉片振動(dòng)信號。當(dāng)葉片旋轉(zhuǎn)時(shí)，部分空氣滑動(dòng)到葉片上，撞擊到機(jī)殼上。由于保持空氣與葉片的連通，空氣也被傳遞了葉片的機(jī)匣。機(jī)匣對葉片通過頻率（BPF）激勵(lì)的響應(yīng)是葉片轉(zhuǎn)速和級內(nèi)葉片數(shù)的乘積。根據(jù)電網(wǎng)頻率的不同，渦輪轉(zhuǎn)速大約為3 000 r/min。置于殼體上的加速度計(jì)除了接收殼體中的其他信號外，還接收BPF。BPF 是葉片在特定階段的特征頻率。該方法利用BPF 的特征對葉片的健康狀況進(jìn)行評估。對于信號分析人員來說，很容易區(qū)分健康旋轉(zhuǎn)葉片、運(yùn)行中的健康葉片和振動(dòng)葉片以及裂紋葉片的BPF 性質(zhì)。

2.2 汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子R2 級5 個(gè)葉片根部產(chǎn)生裂紋

本文通過對空氣機(jī)組汽輪機(jī)的分析，找出了汽輪機(jī)R3 級葉片失效的主要原因是由于1A 模態(tài)與同步轉(zhuǎn)速的7 階發(fā)動(dòng)機(jī)相交造成HCF。檢查還發(fā)現(xiàn)，R3 級失效葉片和其他葉片的前緣腐蝕導(dǎo)致凹陷區(qū)域出現(xiàn)裂紋。裂紋區(qū)是正常啟動(dòng)過程中應(yīng)力峰值的潛在區(qū)域。在HCF 的輔助下，裂紋具有很大的擴(kuò)展空間。葉片的基本模態(tài)（1F 和1A）在前緣處的振動(dòng)應(yīng)力強(qiáng)度較高。R2 級5 個(gè)葉片根部裂紋的產(chǎn)生是由于R2 級葉片邊緣出現(xiàn)裂紋。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，葉片在工作過程中受到激勵(lì)，激勵(lì)頻率與邊帶頻率相對應(yīng)。這種激勵(lì)可能是由于裂紋葉片的振動(dòng)引起流動(dòng)空氣的調(diào)制。發(fā)動(dòng)機(jī)同步轉(zhuǎn)速1A（508 Hz）與10 階同步轉(zhuǎn)速交叉引起高頻振動(dòng)，再次引起5 片葉片產(chǎn)生裂紋。通過實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蜃C實(shí)R2 級5 片葉片存在根部裂紋。結(jié)果表明，葉片共振時(shí)的連續(xù)激振是導(dǎo)致葉片疲勞損傷的主要原因。這種激勵(lì)導(dǎo)致葉片產(chǎn)生較高的工作應(yīng)力。側(cè)帶可能是由于級葉片振動(dòng)引起的環(huán)空脈動(dòng)空氣對葉片的軸向載荷所致。因此，非侵入式方法可以在初期階段檢測葉片根部的裂紋，從而避免機(jī)器再次發(fā)生災(zāi)難性故障。

3 結(jié)語

通過分析可以看出汽輪機(jī)發(fā)生巨大抖動(dòng)的重要原因之一在于汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)子葉片出現(xiàn)了微小裂紋，所以基于聲學(xué)和激光技術(shù)，通過在發(fā)電廠的渦輪機(jī)外殼內(nèi)嵌入傳感器，在汽輪機(jī)工作的過程中對相應(yīng)部位進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測，可盡早發(fā)現(xiàn)問題應(yīng)進(jìn)行及時(shí)處理，避免因振動(dòng)大導(dǎo)致機(jī)器出現(xiàn)更大的問題。