石 冉

（華陽(yáng)集團(tuán)煤層氣發(fā)電分公司，山西 陽(yáng)泉 045000）

引言

燃?xì)獍l(fā)電機(jī)是電廠中心設(shè)備鏈的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，應(yīng)將設(shè)備維護(hù)作為處理發(fā)電機(jī)葉片保護(hù)和可預(yù)測(cè)安全性問題的重要因素。為了更好地維護(hù)和提高發(fā)電機(jī)的性能，需要使用一個(gè)冷卻系統(tǒng)來驅(qū)散線圈（銅導(dǎo)線）和發(fā)電機(jī)電路中產(chǎn)生的熱量。通常的一種方法是使用軸向風(fēng)扇。風(fēng)機(jī)葉片冷卻空氣在一個(gè)封閉空間中循環(huán)，在空氣通過轉(zhuǎn)子后，從發(fā)電機(jī)頂部加熱和排出，然后通過冷卻器、水流冷卻。冷空氣再次流向轉(zhuǎn)子，使用安裝在發(fā)電機(jī)側(cè)固定圈上的風(fēng)扇在轉(zhuǎn)子周圍吹散熱氣[1]。每個(gè)風(fēng)扇由11個(gè)葉片組成，通過使用11個(gè)間隔片（間隔片）分開。但是一旦有些葉片穿透定子線圈（銅導(dǎo)線），導(dǎo)致轉(zhuǎn)子與定子之間短路，則會(huì)導(dǎo)致機(jī)組爆炸，造成大量的經(jīng)濟(jì)損失。因此有必要對(duì)燃?xì)獍l(fā)電機(jī)葉片的故障狀態(tài)進(jìn)行分析，提高葉片的可靠性，保障發(fā)電過程的順利進(jìn)行。

1 冷卻風(fēng)扇葉片材料屬性問題

1.1 材料和微觀結(jié)構(gòu)的研究

根據(jù)文獻(xiàn)資料表明，在葉片上進(jìn)行的材料試驗(yàn)得到的結(jié)果表明，葉片材料為鋁2024[2]。葉片上的冶金檢查結(jié)果還表明，葉片不是通過壓鑄產(chǎn)生的，而是成型、銑削、成形和最終拋光葉片表面。葉片長(zhǎng)度方向上的晶體分析顯示。在該葉片中進(jìn)行了熱處理為T351的加熱操作。鋁2024材料的機(jī)械性能中拉伸強(qiáng)度為470 MPa、屈服強(qiáng)度為235 MPa、疲勞持續(xù)性強(qiáng)度為140 MPa[3]。同時(shí)在冷卻風(fēng)扇達(dá)到3 000 r/min時(shí)，測(cè)量了動(dòng)態(tài)應(yīng)力。將這些應(yīng)力與極限應(yīng)力進(jìn)行比較表明，施加給葉片的應(yīng)力比該極限應(yīng)力數(shù)值要低得多，因此在正常操作條件下不可能出現(xiàn)葉片故障。冷卻風(fēng)扇葉片如圖1所示。

圖1 燃?xì)獍l(fā)電機(jī)冷卻風(fēng)扇葉片示意圖

1.2 冷卻風(fēng)扇葉片材料斷裂表面研究

研究破裂故障原因的最佳方法之一是使用掃描電子顯微鏡（SEM）研究破裂表面。

分析了關(guān)于外部物體碰撞和交替施加載荷的概率并且分析了兩種斷裂狀態(tài)，即疲勞或外部物體碰撞造成的斷裂。圖2微觀圖顯示了斷開葉片橫截面的完整視圖。在該葉片中，已經(jīng)形成了非線性截面的斷裂狀態(tài)。所研究的合金已經(jīng)開始沉淀硬化，這些金屬材料殘?jiān)w粒造成了幾乎平行形式但離散的疲勞線。

圖2 疲勞裂紋擴(kuò)展而引起的線路示意圖

當(dāng)然，也有可能將外部物體穿透葉片的外表面會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力集中，并簡(jiǎn)化了裂紋的開始。對(duì)葉片斷裂表面的研究和比較表明，外部物體的碰撞并不是斷裂的原因。裂紋的起點(diǎn)是葉片根中心部分的一個(gè)或多個(gè)點(diǎn)（位于凹凸側(cè)），由于葉片旋轉(zhuǎn)過程中的替代載荷，裂紋因疲勞而傳播，從而導(dǎo)致葉片斷裂。

2 冷卻風(fēng)扇葉片斷裂故障的應(yīng)力分析

2.1 仿真環(huán)境的建立

為了研究風(fēng)機(jī)葉片的應(yīng)力，應(yīng)對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行仿真模擬。采用了仿真計(jì)算方法來分析流體的流動(dòng)、應(yīng)力和振動(dòng)。判斷分離現(xiàn)象和湍流是否是風(fēng)扇葉片斷裂的原因。

葉片兩側(cè)壓力分布振蕩變化引起的振動(dòng)可能導(dǎo)致葉片疲勞。因此，進(jìn)行計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析的目的是實(shí)現(xiàn)葉片周圍的風(fēng)速分布，研究氣流管道和確定葉片上的空氣壓力產(chǎn)生的力。

風(fēng)機(jī)葉片的“速度入口”假定為空氣入口條件。冷卻空氣的總?cè)莘e流量為45.6 m3/s，其中一半指向渦輪端風(fēng)機(jī)，另一半指向勵(lì)磁機(jī)端風(fēng)扇。在入口管截面中，空氣速為16.71 m/s[4]。另外，應(yīng)注意空氣通道面積是通道與發(fā)電機(jī)軸截面的差。

同時(shí)提出假設(shè)，風(fēng)速流動(dòng)和流體的其他條件包括湍流、可壓縮流體（空氣）和不可壓縮流動(dòng)都假設(shè)為線性特征。因?yàn)樗谐隹趨^(qū)域及其管道沿線的空氣壓力均勻（大約等于環(huán)境壓力），因此假設(shè)為線性特征。為了減少解域以達(dá)到最快的求解速度，同時(shí)使用周期分析，加速聚合迭代計(jì)算的快速完成。

通過ANSYS有限元仿真軟件建立起冷卻風(fēng)扇葉片的網(wǎng)格模型，如圖3所示。

圖3 冷卻風(fēng)扇葉片有限元網(wǎng)格模型

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

經(jīng)過氣流分析，得到了葉片表面的空氣壓力分布。葉片兩側(cè)的壓差自然，不會(huì)引起葉片問題。葉片背面和葉片頸的負(fù)相對(duì)壓力已降至56 kPa[5]。關(guān)于空氣相對(duì)速度向量的結(jié)果，可以觀察到風(fēng)量通過葉片上形成完全相切狀態(tài)，并且沒有發(fā)生分離現(xiàn)象。此外，在冷卻風(fēng)扇葉片上的合力約等于346 N，如圖4所示。

圖4 葉片周圍空氣的相對(duì)速度矢量示意圖

3 冷卻風(fēng)扇葉片斷裂故障的模態(tài)分析

為了確定對(duì)葉片施加的應(yīng)力和研究由共振引起的葉片破裂的可能性，采用有限元法進(jìn)行了葉片建模。采用有限元法進(jìn)行了兩種分析，分別為模態(tài)分析和諧波分析，包括進(jìn)行固有頻率的模態(tài)分析和基于不同激發(fā)頻率的諧波分析。

首先對(duì)冷卻風(fēng)扇葉片進(jìn)行了建模，研究固有頻率的影響。為了評(píng)估這些條件，研究了四種不同的狀態(tài)[6]：

1）葉片螺栓周圍的所有點(diǎn)都是固定的；

2）葉片所有帶螺栓的相同高度的點(diǎn)均已固定；

3）除了具有固定螺栓的相同高度的所有點(diǎn)外，與保持環(huán)接觸的元件也不會(huì)移動(dòng)；

4）整個(gè)葉片的刀片都固定在各個(gè)方向上。

計(jì)算了這四種狀態(tài)的五種模式的固有頻率。處于第四階（538 Hz）的葉片的第一固有頻率非常接近由軸旋轉(zhuǎn)引起的激發(fā)力的頻率（11個(gè)葉片中每個(gè)葉片50 Hz，合計(jì)550 Hz)，因此在上述條件下發(fā)生共振是非常可能的。

對(duì)于所得結(jié)果，該分析表明，大部分頻率下的正常應(yīng)力值約為10 MPa。這個(gè)值在頻率400~450 Hz的范圍內(nèi)，將增加到20 MPa，這仍然遠(yuǎn)低于葉片材料的耐久性極限。由于該應(yīng)力循環(huán)施加，超過材料耐久極限，將減少葉片工作壽命，導(dǎo)致多次循環(huán)后失效。

然而，在共振條件下，施加在葉片根上的正常拉伸應(yīng)力超過160 MPa。

在共振條件下，材料耐久性極限將接近葉片應(yīng)力的80%。這意味著葉片在無限的時(shí)間內(nèi)不能忍受共振狀態(tài)。因此，葉片過緊固定螺栓是不合適結(jié)構(gòu)安全的，可能出現(xiàn)共振狀態(tài)。

同時(shí)計(jì)算出最大應(yīng)力區(qū)域位于兩個(gè)位置，一個(gè)位于翼型的凸面，另一個(gè)位于其凹面，位于翼型和葉片根的連接點(diǎn)。因此，葉片應(yīng)從這兩點(diǎn)之一發(fā)生破裂。對(duì)葉片斷裂的觀察證實(shí)了這一結(jié)論，在葉片的設(shè)計(jì)及制造過程應(yīng)中對(duì)該部位進(jìn)行加強(qiáng)。

4 結(jié)論

1）對(duì)葉片斷裂橫截面的表面研究表明，大型外部物體碰撞使其瞬間破裂的可能性較??；

2）計(jì)算流體力學(xué)分析表明，氣流引起的力不足以導(dǎo)致葉片破裂；

3）對(duì)于葉片周圍的氣流線，可以得出路徑線與葉片完全相切，且未發(fā)生分離現(xiàn)象；

4）如果施加頻率接近550 Hz的力，葉片將暴露在共振頻率的破壞下，如果在160~236 MPa范圍內(nèi)施加應(yīng)力，其葉片的使用壽命將受到影響。

5）燃?xì)獍l(fā)電機(jī)在運(yùn)行后的早期（小于100 h）和第一次運(yùn)行或維修后，如果元件未早期斷裂，并獲得計(jì)算流體力學(xué)和振動(dòng)分析結(jié)果，則斷裂現(xiàn)象的最可能原因是葉片的固定螺栓方式所造成的，主要受到螺栓的固定方式影響。