空压机组汽轮机振动大的原因分析

孟繁勇

（西山煤电官地矿， 山西 太原 030022）

1 空压机组汽轮机概述

在汽轮机的发展过程中，随着对于电能需求量的不断增大，使得汽轮机稳定性难以达到预期的标准，出现了振动明显的问题，长期的剧烈振动会导致安全事故的发生，所以需要对产生剧烈振动的原因进行深入分析和探究。主要是通过严格的测试来确定部件在初始阶段的故障，并在故障实际发生之前予以排除，但是由于燃气涡轮发动机在运转时会吸入大量的空气，在这种情况下，任何与空气夹带在一起的固体物质都会通过侵蚀或撞击造成损害，在实际汽轮机工作和运行过程中，通过机械机制（例如疲劳）发生的故障很少见，除非是由异常环境引起的。而压缩机的叶片需要抵抗高转速以大的离心负荷形式施加的高机械负荷，往往会由于过度损耗而导致抖振现象发生。较为典型的汽轮机结构如图1 所示[1-2]。

在图中1，发动机的前部是压缩机，压缩机与涡轮相连。压气机和涡轮由多级小翼型叶片组成。有些级与内轴相连并高速旋转，而其他级则保持静止。轴、压缩机和涡轮机的组合称为涡轮机械。在压气机和涡轮之间的流道是燃烧部分或燃烧器，这是燃料和空气混合燃烧的地方。然后将热排气连接到发电机的涡轮机发电。从进气端开始，叶片级被命名为R0、R1 等。从R0 级到更高级叶片尺寸逐步减小。空气进口端的压缩机外壳在工厂正常关闭时可以进入，表面温度不是很高，外壳装有标准加速度计，以监测工厂运行期间的壳体振动。从装有整个工厂的绝缘舱中取出信号电缆，处理并记录其信号，以便在线或离线分析[3]。

图1 汽轮机示意图

2 汽轮机组出现剧烈振动的原因分析

2.1 汽轮机转子R3 级叶片失效

为了避免燃气涡轮叶片高速运转时发生疲劳需进行周密设计，不少研究学者提出了较有参考价值的研究成果。而研究表明，如果考虑一个叶片的固有频率为500 Hz，那么适用应力的循环速率为1.8106周期每工作小时，这足以在不到700 h 内达到109 个循环。所以任何形式的叶片外部损伤，比如刻痕或凹痕，都会造成叶片和设备的损耗。Choi Yeon-Sun 致力于燃气轮机叶片失效的研究。在运行过程中，用加速度计测量了汽轮机的振动。结果表明，叶片的疲劳断裂起源于燃烧室内部的瞬态事件，这与组装叶片的共振条件非常接近。本文采用创新方法对某210 MW 燃气轮机叶片进行了失效分析。第3 级的一个压气机叶片在机翼根部失效。叶片的振动碎片对压缩机较高级的叶片造成了损坏。图2 显示了压缩机的损坏部分。附带损害可以看到阶段下游的R3。为了保证两台相似设计运行的燃气轮机可靠运行，对汽轮机进行了可靠性振动分析。针对压气机R3 级叶片失效的情况，决定在一个专用机架上，对存放在机匣外的一个备用转子的每个下级的几个叶片进行模态试验。与蒸汽轮机不同，燃气轮机的叶片短而刚。它的固有频率在0～3 000 r 时没有显示出很大变化，特别是在高级叶片。使用的标准模态测试工具包括冲击锤和加速度计。采用划桨锤法，在15 个位置对每个阶段的典型叶片进行撞击，用3 个加速度计提取响应。

在本文提到的方法中，利用采集的信号提取叶片振动信号。当叶片旋转时，部分空气滑动到叶片上，撞击到机壳上。由于保持空气与叶片的连通，空气也被传递了叶片的机匣。机匣对叶片通过频率（BPF）激励的响应是叶片转速和级内叶片数的乘积。根据电网频率的不同，涡轮转速大约为3 000 r/min。置于壳体上的加速度计除了接收壳体中的其他信号外，还接收BPF。BPF 是叶片在特定阶段的特征频率。该方法利用BPF 的特征对叶片的健康状况进行评估。对于信号分析人员来说，很容易区分健康旋转叶片、运行中的健康叶片和振动叶片以及裂纹叶片的BPF 性质。

2.2 汽轮机转子R2 级5 个叶片根部产生裂纹

本文通过对空气机组汽轮机的分析，找出了汽轮机R3 级叶片失效的主要原因是由于1A 模态与同步转速的7 阶发动机相交造成HCF。检查还发现，R3 级失效叶片和其他叶片的前缘腐蚀导致凹陷区域出现裂纹。裂纹区是正常启动过程中应力峰值的潜在区域。在HCF 的辅助下，裂纹具有很大的扩展空间。叶片的基本模态（1F 和1A）在前缘处的振动应力强度较高。R2 级5 个叶片根部裂纹的产生是由于R2 级叶片边缘出现裂纹。实验结果表明，叶片在工作过程中受到激励，激励频率与边带频率相对应。这种激励可能是由于裂纹叶片的振动引起流动空气的调制。发动机同步转速1A（508 Hz）与10 阶同步转速交叉引起高频振动，再次引起5 片叶片产生裂纹。通过实验能够证实R2 级5 片叶片存在根部裂纹。结果表明，叶片共振时的连续激振是导致叶片疲劳损伤的主要原因。这种激励导致叶片产生较高的工作应力。侧带可能是由于级叶片振动引起的环空脉动空气对叶片的轴向载荷所致。因此，非侵入式方法可以在初期阶段检测叶片根部的裂纹，从而避免机器再次发生灾难性故障。

3 结语

通过分析可以看出汽轮机发生巨大抖动的重要原因之一在于汽轮机的转子叶片出现了微小裂纹，所以基于声学和激光技术，通过在发电厂的涡轮机外壳内嵌入传感器，在汽轮机工作的过程中对相应部位进行振动监测，可尽早发现问题应进行及时处理，避免因振动大导致机器出现更大的问题。