空壓機組汽輪機振動大的原因分析

孟繁勇

（西山煤電官地礦， 山西 太原 030022）

1 空壓機組汽輪機概述

在汽輪機的發展過程中，隨著對于電能需求量的不斷增大，使得汽輪機穩定性難以達到預期的標準，出現了振動明顯的問題，長期的劇烈振動會導致安全事故的發生，所以需要對產生劇烈振動的原因進行深入分析和探究。主要是通過嚴格的測試來確定部件在初始階段的故障，并在故障實際發生之前予以排除，但是由于燃氣渦輪發動機在運轉時會吸入大量的空氣，在這種情況下，任何與空氣夾帶在一起的固體物質都會通過侵蝕或撞擊造成損害，在實際汽輪機工作和運行過程中，通過機械機制（例如疲勞）發生的故障很少見，除非是由異常環境引起的。而壓縮機的葉片需要抵抗高轉速以大的離心負荷形式施加的高機械負荷，往往會由于過度損耗而導致抖振現象發生。較為典型的汽輪機結構如圖1 所示[1-2]。

在圖中1，發動機的前部是壓縮機，壓縮機與渦輪相連。壓氣機和渦輪由多級小翼型葉片組成。有些級與內軸相連并高速旋轉，而其他級則保持靜止。軸、壓縮機和渦輪機的組合稱為渦輪機械。在壓氣機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電機的渦輪機發電。從進氣端開始，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。空氣進口端的壓縮機外殼在工廠正常關閉時可以進入，表面溫度不是很高，外殼裝有標準加速度計，以監測工廠運行期間的殼體振動。從裝有整個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 汽輪機示意圖

2 汽輪機組出現劇烈振動的原因分析

2.1 汽輪機轉子R3 級葉片失效

為了避免燃氣渦輪葉片高速運轉時發生疲勞需進行周密設計，不少研究學者提出了較有參考價值的研究成果。而研究表明，如果考慮一個葉片的固有頻率為500 Hz，那么適用應力的循環速率為1.8106周期每工作小時，這足以在不到700 h 內達到109 個循環。所以任何形式的葉片外部損傷，比如刻痕或凹痕，都會造成葉片和設備的損耗。Choi Yeon-Sun 致力于燃氣輪機葉片失效的研究。在運行過程中，用加速度計測量了汽輪機的振動。結果表明，葉片的疲勞斷裂起源于燃燒室內部的瞬態事件，這與組裝葉片的共振條件非常接近。本文采用創新方法對某210 MW 燃氣輪機葉片進行了失效分析。第3 級的一個壓氣機葉片在機翼根部失效。葉片的振動碎片對壓縮機較高級的葉片造成了損壞。圖2 顯示了壓縮機的損壞部分。附帶損害可以看到階段下游的R3。為了保證兩臺相似設計運行的燃氣輪機可靠運行，對汽輪機進行了可靠性振動分析。針對壓氣機R3 級葉片失效的情況，決定在一個專用機架上，對存放在機匣外的一個備用轉子的每個下級的幾個葉片進行模態試驗。與蒸汽輪機不同，燃氣輪機的葉片短而剛。它的固有頻率在0～3 000 r 時沒有顯示出很大變化，特別是在高級葉片。使用的標準模態測試工具包括沖擊錘和加速度計。采用劃槳錘法，在15 個位置對每個階段的典型葉片進行撞擊，用3 個加速度計提取響應。

在本文提到的方法中，利用采集的信號提取葉片振動信號。當葉片旋轉時，部分空氣滑動到葉片上，撞擊到機殼上。由于保持空氣與葉片的連通，空氣也被傳遞了葉片的機匣。機匣對葉片通過頻率（BPF）激勵的響應是葉片轉速和級內葉片數的乘積。根據電網頻率的不同，渦輪轉速大約為3 000 r/min。置于殼體上的加速度計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行評估。對于信號分析人員來說，很容易區分健康旋轉葉片、運行中的健康葉片和振動葉片以及裂紋葉片的BPF 性質。

2.2 汽輪機轉子R2 級5 個葉片根部產生裂紋

本文通過對空氣機組汽輪機的分析，找出了汽輪機R3 級葉片失效的主要原因是由于1A 模態與同步轉速的7 階發動機相交造成HCF。檢查還發現，R3 級失效葉片和其他葉片的前緣腐蝕導致凹陷區域出現裂紋。裂紋區是正常啟動過程中應力峰值的潛在區域。在HCF 的輔助下，裂紋具有很大的擴展空間。葉片的基本模態（1F 和1A）在前緣處的振動應力強度較高。R2 級5 個葉片根部裂紋的產生是由于R2 級葉片邊緣出現裂紋。實驗結果表明，葉片在工作過程中受到激勵，激勵頻率與邊帶頻率相對應。這種激勵可能是由于裂紋葉片的振動引起流動空氣的調制。發動機同步轉速1A（508 Hz）與10 階同步轉速交叉引起高頻振動，再次引起5 片葉片產生裂紋。通過實驗能夠證實R2 級5 片葉片存在根部裂紋。結果表明，葉片共振時的連續激振是導致葉片疲勞損傷的主要原因。這種激勵導致葉片產生較高的工作應力。側帶可能是由于級葉片振動引起的環空脈動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，從而避免機器再次發生災難性故障。

3 結語

通過分析可以看出汽輪機發生巨大抖動的重要原因之一在于汽輪機的轉子葉片出現了微小裂紋，所以基于聲學和激光技術，通過在發電廠的渦輪機外殼內嵌入傳感器，在汽輪機工作的過程中對相應部位進行振動監測，可盡早發現問題應進行及時處理，避免因振動大導致機器出現更大的問題。