透平膨脹機葉輪故障處理分析

徐廣磊 郭宏偉

摘 要：外界擾動力是一種激勵源，也是影響葉輪振動的重要因素。本文結合一起典型的葉輪葉片斷裂事故，分析葉輪葉片的自振頻率與激勵源所產(chǎn)生的激振力頻率相耦合時所產(chǎn)生的共振影響，研究其對葉輪帶來的損害。通過改變?nèi)~片的自振頻率或者激勵源等方式，人們可以成功處理此類故障。

關鍵詞：膨脹葉輪;擾動力;葉片自振頻率;激勵源

中圖分類號：TB653 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）09-0047-03

Abstract： The external disturbance force is a source of excitation and an important factor affecting the vibration of the impeller. Combining a typical impeller blade fracture accident， this paper analyzed the resonance effect generated when the natural frequency of the impeller blade was coupled with the frequency of the exciting force generated by the excitation source， and studied the damage it brings to the impeller. By changing the natural frequency or excitation source of the blade， people can successfully deal with this type of failure.

Keywords： expansion impeller;disturbing force;blade natural frequency;excitation source

工作期間，透平膨脹機葉輪可能出現(xiàn)故障，尤其是葉片斷裂，若排除異物撞擊，則主要原因還是葉輪葉片的振動。對于焓降大且線速度高的透平膨脹機葉輪來說，葉輪振動是比較常見的一種故障，危害非常大，其主要表現(xiàn)是造成葉輪葉片的撕裂。究其原因，在外界擾動力（激勵源）的影響下，葉輪葉片會產(chǎn)生受迫振動。在實際工程設計中，設計人員往往只對葉輪進行孤立的振動分析，即僅關注激振力頻率與葉輪自振頻率相等時所發(fā)生的共振影響，而忽略系統(tǒng)中一些通流部件的影響，勢必給葉輪的安全運行帶來許多重大隱患。

事實上，在透平機械中，葉輪的前后靜葉均可能產(chǎn)生耦合振動，比如，膨脹葉輪前導流葉片、離心壓縮機[1]的進口導葉、葉輪出口的葉片擴壓器等這些常見部件的存在使得影響葉輪振動的因素變得復雜化和多元化。而對于透平膨脹機[2]而言，產(chǎn)生周期性擾動力的原因也有很多，譬如，氣流經(jīng)過噴嘴出現(xiàn)分布不均勻、噴嘴葉片數(shù)和葉輪葉片數(shù)相耦合、葉輪轉速、葉輪加工幾何形狀的不對稱以及葉輪材質的不均勻等都可以引起葉片的振動。這些周期性的擾動力在葉輪的每一次轉動中可以出現(xiàn)一次，也可以出現(xiàn)多次。如果其頻率與葉輪的自振頻率相同或者成倍數(shù)關系，就會產(chǎn)生共振。同時，隨著擾動力的能量增大，擾動力頻率的倍數(shù)越低，共振的危險也越大。

1 案例分析

調(diào)試階段，某公司配套液化裝置的高低溫膨脹機出現(xiàn)常溫與噴嘴小開度條件下膨脹機無法沖轉的現(xiàn)象。隨后緩慢加大噴嘴開度，膨脹機仍然無法沖轉，之后檢查各閥門的情況，同時對機器進行再次盤車，均無異常后再次啟動。最后，噴嘴開度達到40%左右，膨脹機才開始沖轉，而且轉速突然升得特別高，膨脹機的振動值也出現(xiàn)明顯的跳動，振動最大值接近報警值，同時振動一直處于波動狀態(tài)。隨即停車檢修，結果發(fā)現(xiàn)，膨脹機膨脹葉輪（半開式）與葉輪密封有剮蹭現(xiàn)象（設計上該處的間隙在0.5 mm左右）。現(xiàn)場重新調(diào)整此處間隙后，膨脹機開車平穩(wěn)，最后穩(wěn)定運行。但是，穩(wěn)定運行2個月后，膨脹機膨脹端振動突然由原來的10 μm增長到30 μm，然后處于30 μm左右小幅波動（機器的報警值是40 μm，聯(lián)鎖值為50 μm）。

分散控制系統(tǒng)（DCS）操作人員查看歷史曲線，確認其他參數(shù)都沒有發(fā)生太大變化，初步判斷膨脹葉輪有損傷情況出現(xiàn)，但為了維持生產(chǎn)，決定先對機器進行降負荷運行處理，振動也隨之有小幅的降低。但是，運行20 h后，機器突然出現(xiàn)膨脹端振動高聯(lián)鎖停車。拆檢發(fā)現(xiàn)，膨脹葉輪出口葉片外圓處有部分葉片已經(jīng)出現(xiàn)斷裂掉塊現(xiàn)象，而增壓葉輪（半開式）完好無損。初步分析認為，事故原因如下：葉片與葉輪密封間隙過小而出現(xiàn)過剮蹭現(xiàn)象，導致之前調(diào)試時第一次無法沖轉成功，后強行沖轉導致此處葉片可能已經(jīng)存在傷痕，這樣才會出現(xiàn)運行一段時間后葉片突然斷裂的情況。

隨后更換膨脹機備件轉子，膨脹機恢復穩(wěn)定運行。但穩(wěn)定運行5個月后，膨脹機又突然出現(xiàn)膨脹端振動高聯(lián)鎖跳車。DCS操作人員通過查看歷史趨勢發(fā)現(xiàn)，膨脹端的軸承振動在事故發(fā)生前的一段時間內(nèi)有輕微的波動，其他工藝參數(shù)、轉速及軸承溫度均正常。隨后拆檢發(fā)現(xiàn)仍然是膨脹葉輪出口葉片外圓處發(fā)生葉片斷裂掉塊的現(xiàn)象。

由于連續(xù)兩次發(fā)生同樣的事故，而且第二次故障是在膨脹機運行5個月后發(fā)生的，因此人們可以基本排除機器裝配及操作的原因，那么就需要從葉輪的材質和設計上查找原因。

2 故障分析

2.1 材質分析

膨脹葉輪的材質是6A02鋁合金，按照《鋁及鋁合金擠壓棒材》（GB/T 3191—2019），對損壞的葉輪進行化學成分及力學性能分析，結果發(fā)現(xiàn)，葉輪母體材料縱向力學性能及橫向力學性能均滿足設計要求。因此，材質問題可以排除。

2.2 校核轉子的臨界轉速

膨脹機轉子的一階臨界轉速為41 718 r/min，二階臨界轉速為48 324 r/min[3]。膨脹機轉子的一階臨界轉速遠遠大于膨脹機的額定轉速27 000 r/min，所以理論上絕對安全。

2.3 校核葉輪葉片的自振頻率

葉輪在工作時受到各種激振力的作用，葉輪所受激振力大致可以分為有規(guī)律變化的和無規(guī)律變化的。有規(guī)律變化的激振力主要指周期性變化的激振力，如機械激振力、氣體尾流激振力、葉輪旋轉失速等;無規(guī)律變化的激振力主要指流體誘發(fā)所形成的激振力和其他隨機激振力等。而激振力頻率大多與原動機轉速有直接關系[4]，一般可以表示為：

下面通過ANSYS軟件對葉輪進行模擬分析。由圖1可知，葉輪葉片的一階自振頻率為3 354.4 Hz，該膨脹機的噴嘴葉片數(shù)為8個，對應的轉速為25 158 r/min;葉片的二階自振頻率為5 249.4 Hz，對應的轉速是39 370 r/min。之后繪制坎貝爾圖[5]（見圖2），按照葉片的一階自振頻率3 354.4 Hz來劃分非運轉區(qū)間，其轉速介于22 600～27 800 r/min，即隔離上限和隔離下限之間的空間。一般情況下，為了保護機器穩(wěn)定運行，如果檢測到膨脹機運行轉速在該區(qū)域內(nèi)停留2 min而轉速沒有繼續(xù)提高超過500 r/min，就會發(fā)出報警，直到轉速離開非運轉區(qū)域，否則就會聯(lián)鎖停車。而實際情況是該膨脹機的額定轉速是27 000 r/min，最大轉速為29 000 r/min，聯(lián)鎖轉速為30 500 r/min，顯然，膨脹機膨脹的運轉區(qū)域部分與葉輪的非運轉區(qū)域重疊，在膨脹機運轉到25 158 r/min附近時，頻率耦合就會使膨脹葉輪葉片產(chǎn)生共振，導致葉片的損壞。

3 故障處理

經(jīng)過前面的分析，人們不難發(fā)現(xiàn)，事故的原因是葉片的一階自振頻率與轉速的8倍頻耦合，而8倍頻正好是噴嘴的葉片數(shù)相同而產(chǎn)生的一種共振現(xiàn)象。因此，人們必須改變?nèi)~片的自振頻率或者擾力頻率，避免產(chǎn)生共振。從理論上講，改變?nèi)~片的自振頻率有很多方法，如改變?nèi)~片厚度、寬度和型線等。半開式葉輪可以增加輪蓋，變?yōu)殚]式葉輪，這樣可以大大提高葉片的自振頻率。而改變擾力頻率的最有效方式就是改變噴嘴的葉片數(shù)。

結合現(xiàn)場的實際情況，要想縮短檢修時間，減少用戶的損失，人們就必須用最小的變動和最短的時間來完成改造。最終形成的方案如下：改變出口葉片的長度，把出口葉片外緣整體切削掉一部分。這樣不會影響與葉輪對應的密封件的變動，只需要重新加工一個膨脹葉輪，對于膨脹機的組裝也沒有任何影響。葉輪改動情況如圖3所示，相比圖3（a）中的葉輪，圖3（b）中的葉輪出口位置的葉片從根部到外緣都進行了部分切除。

校核整改后，葉輪葉片的自振頻率如圖4所示。該膨脹機的額定轉速是27 000 r/min，最大轉速為29 000 r/min，聯(lián)鎖轉速為30 500 r/min。由圖4可知，切削后的葉輪葉片的一階自振頻率變?yōu)? 605.9 Hz，噴嘴葉片數(shù)為8個，對應的膨脹機轉速為34 544 r/min，其遠遠超過膨脹機的

設計轉速。另外，從圖5也可以看到，修改后的葉輪一階自振頻率（4 605 Hz）變大，與8VPF在30 500 r/min內(nèi)沒有相交，因此就不存在轉速耦合而產(chǎn)生振動的情況，該機器在工況范圍內(nèi)也就沒有非運轉區(qū)域。

經(jīng)過整改，葉輪進行現(xiàn)場修復并投入運行，連續(xù)運行超過4 000 h，振動值基本上保持在11 μm左右，也沒有再出現(xiàn)過大的波動現(xiàn)象，軸承溫度及其他指標也很正常。

4 結論

此次故障處理實踐表明，采用半開式葉輪時，其半開式葉片為單懸臂結構，自振頻率相對閉式葉輪要低得多，尤其是焓降大時，葉輪轉速高，同時比轉數(shù)偏小，葉片出口高度偏大，這導致與葉輪轉速相關的激勵頻率偏高，而葉輪葉片的自振頻率偏低，此時激勵頻率和自振頻率很容易耦合發(fā)生共振。因此，人們必須考慮葉輪葉片的模態(tài)振動問題，利用有限元分析（FEA）計算出葉片的模態(tài)振動頻率和振型，區(qū)分出真實的振動頻率，最好能與試驗結合確認準確性，同時考慮實際加工能力、材質問題等的影響，從結構上采取更多的措施來改變?nèi)~片的自振頻率或擾動力，防止類似事故的發(fā)生。

參考文獻：

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