高速涡轮叶片故障诊断及改进措施

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(中国石油辽阳石油化纤公司，辽宁辽阳111003 )。

通过对：裂解气压缩机驱动涡轮振动特性的计算分析，得出该涡轮第四级叶轮叶片断裂这是由于结构不合理，叶片在运行过程中长期处于残馀共振状态，引起叶片疲劳破坏，提出了改进建议措施。关键词：汽轮机； Bo型共振； 叶片断裂； 振动特性计算分析

图中分类编号：TE969文献识别码：B文章编号：1006-8805(2003 ) 01-0030-021提出问题裂解气压缩机组是辽阳石油化纤公司的裂解装置的心脏设备，其驱动涡轮在法国

由WORTHINGTON公司设计制造。 设计力量5480kW，工作转速9820r/min，最大转速为10311r/min，转子上共安装了5级叶轮。 自1988年以来那么，该汽轮机在运转中多次产生振动值急剧增大，4级机翼断裂的事故。 分析叶片断裂面，80%的面积呈疲劳断裂状，其馀的被拉伸断裂。本文从叶片振动分析的角度，针对汽轮机故障分析了产生的原因，提出了改进措施。双叶片振动特性的计算分析受到高频干扰力的影响，汽轮机叶片自振频率很高。 作用于机翼高频扰动力主要是叶片相对于喷嘴和静叶片的位置确定，干扰力的频率率与汽轮机的转速和静叶片的数量有关，为：f=Z，n

式中：f=—高频扰动力频率，Hz；Zc—静叶数量；n -转速，r/mina

通过对汽轮机叶片的振型分析表明，对叶片是安全的影响较大的振动是Ao、Bo型振动，所以叶片的振动分析主要是对Ao、A1、Bo型振动的分析。2.1固有频率计算)1)等截面单叶片

裂解气压缩机转子第1-4级为等截面叶片，只等待截面叶片的Ao、A1、b。 由于干扰力3种振动的共振频率的计算公式为以下：式中：fAo— A。 型谐振频率，Hz；() AI型谐振频率，Hz；in-bo型谐振频率，Hz；I—叶高，毫米；e -叶片材料的弹性模量、N/m '；I -叶片截面惯性矩，m '；P—材料密度，kg/m3；f -翼截面积，mMZo

通过以上三个公式分析可知，对于同一个等截面

对于机翼来说，Ao、Bo、Al型的振动频率在数值上是固定的的比例关系，它们之比为：FAO’瓶’fa，=1，4.39，6.3)2)等截面叶片组关于等截面叶片组，为单叶片Ao型

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由此，单叶片Aa型振动共振频率

基频，其他类型的谐振频率可从中确定，并由人工

在路程中经常使用z。 (二)介绍。 的比值作为叶片振动特性的判定据介绍。

根据机翼截面几何特性参数，应用上述公式受理日期：2002-12-04简介孙克栋(1960-)，男、一罕0.156 }FI，一三.3.150 PFI； fN-2.45412

大连理工大学化工机械专业设备管理、高级工程师、辽宁大连人，1982年毕业现在辽阳石油化纤公司从事副社长。 发表了两篇论文。

第24卷第1期孙克栋等.高速汽轮机叶片故障诊断与改进措施31公式可以分别计算出第4段的单只、成组的叶子的固有静振动频率、汽轮机工作转速和最大转速的振动特性值。 计算结果如表to所示表1 A级动叶片固有振动特性值的计算项目蒸汽喷嘴道路的数量z、

Ao型固有振动的静频率振动特性(9820r/min )振动特性(10331 r/min )

fAo fAo‘nZ/fAonZ，/FAO’nz，/久nZ}/fAo‘一只羽毛

4179615814.00974.55504.21014.7827变成全日4161614224.45645.06434.67915.3174羽毛注：表中fly—考虑叶根固定影响系数修正的叶片振动特性的计算结果。2.3避免机翼共振的安全条件

在高频振动等截面的叶片组中，叶片的闷热

汽弯曲应力a、14. 7MPa时，为a。 型振动共振安全率(界)士8%，即0. 92Z，开/关1. 08； 当蒸汽弯曲时曲应力6y，镇14. 7MPa时，允许共振运行，即：z，n/f； }l公式中的：五—叶组的静频率(修正后)，Hz。计算表明，各级叶片的蒸汽弯曲应力均在以下.

如果是14. 7MPa，则允许共振运转。 所以第四级动叶a不存在。 型振动问题。

关于等截面叶片组b。 模和a、模振动、叶片组Ba型和a，模振动频率为单叶片a。 模具振动在静频率的4. 39.7. 2倍的范围内。 别等我截面叶片组b。

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z，nmax=44 X 9820/60一44 X 10311/60=7201. 3-7561. 4Hz； 还有第四级动叶组b。 模具振动频率

在：中加入1，4.39 xf。 (一) 39xfao )一)4. 39 X 1796^-4. 39 X 1581=7884. 44^ 6940. 59Hzo另外，通过试验模态振型分析可以得到第四位级动叶片Bo型振动的频率范围为59509150Hz，与计算结果一致。

因此，第四级动叶片在运转时受到高频干扰力之后，该叶片的Bo型共振区域振动下降，叶片脱落运转中处于共振状态，同时叶根正在加工中会产生应力集中(或微小裂纹)，这样，叶片会长期由于动应力，逐渐产生裂纹并伸长，最后产生疲劳和强烈的振动。4调频的改进措施

为了防止推土铲在运转中共振或推土铲被抑制振动一般有以下三种频率调制方法：a )改变叶片自振频率改变：叶片自振频率需要重新审视叶型的设计，增加叶的固有频率的值，避开b的自激振荡频率。 虽然是振动型，但也需要转子为了改造，不应该采用这个方案；b )添加阻尼抑制叶片振动的：采用玻璃筋的方法可以消除Bo型振动，但会在加筋后产生流动道路中蒸汽流动混乱，降低级效率；

c )改变扰动的频率：是一种有效的调频方法。由式f，=Z，n可知，改变静叶的只有2。 可以使之振动特性值避免Bo型振动频率。高频谐振安全率的计算公式为：

Of=(介。 一z，n )/Z，nX1000o经验表明，安全率超过15%时，还没有发现叶片损伤事故。 所以改造后，静叶只需要避开b。 类型

共振条件为：(fs )。 一zenmex(/zenmexx100o=15o或(Zc nmici一入(/Z，nmi-15% )。从b开始。 根据模振动的计算和试验模态振型得到的最小振动频率为人5950Hz，n。 () 171. 9Hz，即(5950一z，(X 171. 9 )/Z，(X 171. 915%，得乙) )。毛30； 最大振动频率fBo=9150Hz，n-；163. 7Hz，即(ZC )‘X 163. 7(9150 )/Z，(x163.7 ) ) ) ) )。15%，z，' 66。我想避开b。 类型谐振频率、第4级间隔件喷嘴数量请控制在30个以下或66个以上。 如果增加喷嘴的数量后，引起高频扰动力频率的上升，与a、模振动频率值接近，在叶片模式模式模式模式下为152. 5Hz(9150r/min )附近响应

30个比较妥当。

因为对峰值谐波敏感，所以设计喷嘴数参考文献

1汽轮机叶片振动特性与调整〔m〕.电力工业出版社19812吴厚钮扣.涡轮零件结构与强度计算〔M盘.机械工业出版〕公司，1982

3沈庆根编着.化学机械故障诊断技术[M]. 19944黄钟乐主编.化工涡轮压力机“m”. 1989