透平膨脹機(jī)葉輪故障處理分析

徐廣磊 郭宏偉

摘 要：外界擾動(dòng)力是一種激勵(lì)源，也是影響葉輪振動(dòng)的重要因素。本文結(jié)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(lì)源所產(chǎn)生的激振力頻率相耦合時(shí)所產(chǎn)生的共振影響，研究其對(duì)葉輪帶來的損害。通過改變?nèi)~片的自振頻率或者激勵(lì)源等方式，人們可以成功處理此類故障。

關(guān)鍵詞：膨脹葉輪;擾動(dòng)力;葉片自振頻率;激勵(lì)源

中圖分類號(hào)：TB653 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(jī)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(dòng)。對(duì)于焓降大且線速度高的透平膨脹機(jī)葉輪來說，葉輪振動(dòng)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(dòng)力（激勵(lì)源）的影響下，葉輪葉片會(huì)產(chǎn)生受迫振動(dòng)。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員往往只對(duì)葉輪進(jìn)行孤立的振動(dòng)分析，即僅關(guān)注激振力頻率與葉輪自振頻率相等時(shí)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(shì)必給葉輪的安全運(yùn)行帶來許多重大隱患。

事實(shí)上，在透平機(jī)械中，葉輪的前后靜葉均可能產(chǎn)生耦合振動(dòng)，比如，膨脹葉輪前導(dǎo)流葉片、離心壓縮機(jī)[1]的進(jìn)口導(dǎo)葉、葉輪出口的葉片擴(kuò)壓器等這些常見部件的存在使得影響葉輪振動(dòng)的因素變得復(fù)雜化和多元化。而對(duì)于透平膨脹機(jī)[2]而言，產(chǎn)生周期性擾動(dòng)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(zhuǎn)速、葉輪加工幾何形狀的不對(duì)稱以及葉輪材質(zhì)的不均勻等都可以引起葉片的振動(dòng)。這些周期性的擾動(dòng)力在葉輪的每一次轉(zhuǎn)動(dòng)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(guān)系，就會(huì)產(chǎn)生共振。同時(shí)，隨著擾動(dòng)力的能量增大，擾動(dòng)力頻率的倍數(shù)越低，共振的危險(xiǎn)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(jī)出現(xiàn)常溫與噴嘴小開度條件下膨脹機(jī)無法沖轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。隨后緩慢加大噴嘴開度，膨脹機(jī)仍然無法沖轉(zhuǎn)，之后檢查各閥門的情況，同時(shí)對(duì)機(jī)器進(jìn)行再次盤車，均無異常后再次啟動(dòng)。最后，噴嘴開度達(dá)到40%左右，膨脹機(jī)才開始沖轉(zhuǎn)，而且轉(zhuǎn)速突然升得特別高，膨脹機(jī)的振動(dòng)值也出現(xiàn)明顯的跳動(dòng)，振動(dòng)最大值接近報(bào)警值，同時(shí)振動(dòng)一直處于波動(dòng)狀態(tài)。隨即停車檢修，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，膨脹機(jī)膨脹葉輪（半開式）與葉輪密封有剮蹭現(xiàn)象（設(shè)計(jì)上該處的間隙在0.5 mm左右）?，F(xiàn)場(chǎng)重新調(diào)整此處間隙后，膨脹機(jī)開車平穩(wěn)，最后穩(wěn)定運(yùn)行。但是，穩(wěn)定運(yùn)行2個(gè)月后，膨脹機(jī)膨脹端振動(dòng)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(dòng)（機(jī)器的報(bào)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(rèn)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(duì)機(jī)器進(jìn)行降負(fù)荷運(yùn)行處理，振動(dòng)也隨之有小幅的降低。但是，運(yùn)行20 h后，機(jī)器突然出現(xiàn)膨脹端振動(dòng)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(rèn)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(dǎo)致之前調(diào)試時(shí)第一次無法沖轉(zhuǎn)成功，后強(qiáng)行沖轉(zhuǎn)導(dǎo)致此處葉片可能已經(jīng)存在傷痕，這樣才會(huì)出現(xiàn)運(yùn)行一段時(shí)間后葉片突然斷裂的情況。

隨后更換膨脹機(jī)備件轉(zhuǎn)子，膨脹機(jī)恢復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行。但穩(wěn)定運(yùn)行5個(gè)月后，膨脹機(jī)又突然出現(xiàn)膨脹端振動(dòng)高聯(lián)鎖跳車。DCS操作人員通過查看歷史趨勢(shì)發(fā)現(xiàn)，膨脹端的軸承振動(dòng)在事故發(fā)生前的一段時(shí)間內(nèi)有輕微的波動(dòng)，其他工藝參數(shù)、轉(zhuǎn)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(jī)運(yùn)行5個(gè)月后發(fā)生的，因此人們可以基本排除機(jī)器裝配及操作的原因，那么就需要從葉輪的材質(zhì)和設(shè)計(jì)上查找原因。

2 故障分析

2.1 材質(zhì)分析

膨脹葉輪的材質(zhì)是6A02鋁合金，按照《鋁及鋁合金擠壓棒材》（GB/T 3191—2019），對(duì)損壞的葉輪進(jìn)行化學(xué)成分及力學(xué)性能分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，葉輪母體材料縱向力學(xué)性能及橫向力學(xué)性能均滿足設(shè)計(jì)要求。因此，材質(zhì)問題可以排除。

2.2 校核轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速

膨脹機(jī)轉(zhuǎn)子的一階臨界轉(zhuǎn)速為41 718 r/min，二階臨界轉(zhuǎn)速為48 324 r/min[3]。膨脹機(jī)轉(zhuǎn)子的一階臨界轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于膨脹機(jī)的額定轉(zhuǎn)速27 000 r/min，所以理論上絕對(duì)安全。

2.3 校核葉輪葉片的自振頻率

葉輪在工作時(shí)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(jī)械激振力、氣體尾流激振力、葉輪旋轉(zhuǎn)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(jī)激振力等。而激振力頻率大多與原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速有直接關(guān)系[4]，一般可以表示為：

下面通過ANSYS軟件對(duì)葉輪進(jìn)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(jī)的噴嘴葉片數(shù)為8個(gè)，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速為25 158 r/min;葉片的二階自振頻率為5 249.4 Hz，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)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(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)間，其轉(zhuǎn)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(hù)機(jī)器穩(wěn)定運(yùn)行，如果檢測(cè)到膨脹機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速在該區(qū)域內(nèi)停留2 min而轉(zhuǎn)速?zèng)]有繼續(xù)提高超過500 r/min，就會(huì)發(fā)出報(bào)警，直到轉(zhuǎn)速離開非運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)域，否則就會(huì)聯(lián)鎖停車。而實(shí)際情況是該膨脹機(jī)的額定轉(zhuǎn)速是27 000 r/min，最大轉(zhuǎn)速為29 000 r/min，聯(lián)鎖轉(zhuǎn)速為30 500 r/min，顯然，膨脹機(jī)膨脹的運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)域部分與葉輪的非運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)域重疊，在膨脹機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)到25 158 r/min附近時(shí)，頻率耦合就會(huì)使膨脹葉輪葉片產(chǎn)生共振，導(dǎo)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(zhuǎn)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(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，要想縮短檢修時(shí)間，減少用戶的損失，人們就必須用最小的變動(dòng)和最短的時(shí)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(huì)影響與葉輪對(duì)應(yīng)的密封件的變動(dòng)，只需要重新加工一個(gè)膨脹葉輪，對(duì)于膨脹機(jī)的組裝也沒有任何影響。葉輪改動(dòng)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(jìn)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(jī)的額定轉(zhuǎn)速是27 000 r/min，最大轉(zhuǎn)速為29 000 r/min，聯(lián)鎖轉(zhuǎn)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(gè)，對(duì)應(yīng)的膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速為34 544 r/min，其遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過膨脹機(jī)的

設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速耦合而產(chǎn)生振動(dòng)的情況，該機(jī)器在工況范圍內(nèi)也就沒有非運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)域。

經(jīng)過整改，葉輪進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)并投入運(yùn)行，連續(xù)運(yùn)行超過4 000 h，振動(dòng)值基本上保持在11 μm左右，也沒有再出現(xiàn)過大的波動(dòng)現(xiàn)象，軸承溫度及其他指標(biāo)也很正常。

4 結(jié)論

此次故障處理實(shí)踐表明，采用半開式葉輪時(shí)，其半開式葉片為單懸臂結(jié)構(gòu)，自振頻率相對(duì)閉式葉輪要低得多，尤其是焓降大時(shí)，葉輪轉(zhuǎn)速高，同時(shí)比轉(zhuǎn)數(shù)偏小，葉片出口高度偏大，這導(dǎo)致與葉輪轉(zhuǎn)速相關(guān)的激勵(lì)頻率偏高，而葉輪葉片的自振頻率偏低，此時(shí)激勵(lì)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(dòng)問題，利用有限元分析（FEA）計(jì)算出葉片的模態(tài)振動(dòng)頻率和振型，區(qū)分出真實(shí)的振動(dòng)頻率，最好能與試驗(yàn)結(jié)合確認(rèn)準(zhǔn)確性，同時(shí)考慮實(shí)際加工能力、材質(zhì)問題等的影響，從結(jié)構(gòu)上采取更多的措施來改變?nèi)~片的自振頻率或擾動(dòng)力，防止類似事故的發(fā)生。

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