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(fā)展過程中，隨著對于電能需求量的不斷增大，使得汽輪機穩(wěn)定性難以達(dá)到預(yù)期的標(biāo)準(zhǔn)，出現(xiàn)了振動明顯的問題，長期的劇烈振動會導(dǎo)致安全事故的發(fā)生，所以需要對產(chǎn)生劇烈振動的原因進(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，并在故障實際發(fā)生之前予以排除，但是由于燃?xì)鉁u輪發(fā)動機在運轉(zhuǎn)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(zhì)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(fā)生的故障很少見，除非是由異常環(huán)境引起的。而壓縮機的葉片需要抵抗高轉(zhuǎn)速以大的離心負(fù)荷形式施加的高機械負(fù)荷，往往會由于過度損耗而導(dǎo)致抖振現(xiàn)象發(fā)生。較為典型的汽輪機結(jié)構(gòu)如圖1 所示[1-2]。

在圖中1，發(fā)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(nèi)軸相連并高速旋轉(zhuǎn)，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(fā)電機的渦輪機發(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)口端的壓縮機外殼在工廠正常關(guān)閉時可以進(jìn)入，表面溫度不是很高，外殼裝有標(biāo)準(zhǔn)加速度計，以監(jiān)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(xiàn)劇烈振動的原因分析

2.1 汽輪機轉(zhuǎn)子R3 級葉片失效

為了避免燃?xì)鉁u輪葉片高速運轉(zhuǎn)時發(fā)生疲勞需進(jìn)行周密設(shè)計，不少研究學(xué)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(yīng)力的循環(huán)速率為1.8106周期每工作小時，這足以在不到700 h 內(nèi)達(dá)到109 個循環(huán)。所以任何形式的葉片外部損傷，比如刻痕或凹痕，都會造成葉片和設(shè)備的損耗。Choi Yeon-Sun 致力于燃?xì)廨啓C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(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葉片進(jìn)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(shè)計運行的燃?xì)廨啓C可靠運行，對汽輪機進(jìn)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(zhuǎn)子的每個下級的幾個葉片進(jìn)行模態(tài)試驗。與蒸汽輪機不同，燃?xì)廨啓C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(biāo)準(zhǔn)模態(tài)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(jìn)行撞擊，用3 個加速度計提取響應(yīng)。

在本文提到的方法中，利用采集的信號提取葉片振動信號。當(dāng)葉片旋轉(zhuǎn)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(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、運行中的健康葉片和振動葉片以及裂紋葉片的BPF 性質(zhì)。

2.2 汽輪機轉(zhuǎn)子R2 級5 個葉片根部產(chǎn)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(tài)與同步轉(zhuǎn)速的7 階發(fā)動機相交造成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，裂紋具有很大的擴展空間。葉片的基本模態(tài)（1F 和1A）在前緣處的振動應(yīng)力強度較高。R2 級5 個葉片根部裂紋的產(chǎn)生是由于R2 級葉片邊緣出現(xiàn)裂紋。實驗結(jié)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(yīng)。這種激勵可能是由于裂紋葉片的振動引起流動空氣的調(diào)制。發(fā)動機同步轉(zhuǎn)速1A（508 Hz）與10 階同步轉(zhuǎn)速交叉引起高頻振動，再次引起5 片葉片產(chǎn)生裂紋。通過實驗?zāi)軌蜃C實R2 級5 片葉片存在根部裂紋。結(jié)果表明，葉片共振時的連續(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引起的環(huán)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(fā)生災(zāi)難性故障。

3 結(jié)語

通過分析可以看出汽輪機發(fā)生巨大抖動的重要原因之一在于汽輪機的轉(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)電廠的渦輪機外殼內(nèi)嵌入傳感器，在汽輪機工作的過程中對相應(yīng)部位進(jìn)行振動監(jiān)測，可盡早發(fā)現(xiàn)問題應(yīng)進(jìn)行及時處理，避免因振動大導(dǎo)致機器出現(xiàn)更大的問題。