高壓汽輪機(jī)組動(dòng)葉片斷裂原因分析與改進(jìn)

曹祖善, 于爾亮, 張士國(guó)

1.廣西桂能科技發(fā)展有限公司 南寧 5300072.北京北重汽輪電機(jī)有限責(zé)任公司 北京 100040

1 故障情況

高壓兩缸兩排汽100 MW純凝汽輪機(jī)組的第14級(jí)和第16/21級(jí)均使用169 mm動(dòng)葉片,此動(dòng)葉片工作部分高度為169 mm,葉片根徑為1 105 mm,葉片材質(zhì)為2Cr13鋼。每級(jí)均有126支葉片,葉片根結(jié)構(gòu)形式為單倒T形帶外包小腳葉片根,采用鉚接圍帶成組,6支動(dòng)葉片鉚接成為一組。機(jī)組在實(shí)際運(yùn)行一段時(shí)間后,發(fā)現(xiàn)工作在第16/21級(jí)的169 mm動(dòng)葉片較頻繁地出現(xiàn)斷裂事故,而工作在第14級(jí)的動(dòng)葉片卻鮮有葉片斷裂事故發(fā)生。對(duì)此,通過對(duì)比第14級(jí)和第16/21級(jí)動(dòng)葉片的流場(chǎng)、靜應(yīng)力場(chǎng)、安全倍率,結(jié)合葉片固有頻率,分析第16/21級(jí)動(dòng)葉片較頻繁發(fā)生斷裂的原因,并制訂相應(yīng)的改進(jìn)措施。

2 動(dòng)葉片氣動(dòng)計(jì)算與分析

169 mm動(dòng)葉片設(shè)計(jì)工況和強(qiáng)度工況下的熱力參數(shù)見表1。

表1 169 mm動(dòng)葉片熱力參數(shù)

葉片的強(qiáng)度設(shè)計(jì)一般以強(qiáng)度工況為校核點(diǎn)。值得注意的是,第14級(jí)169 mm動(dòng)葉片強(qiáng)度工況和設(shè)計(jì)工況的級(jí)前蒸汽參數(shù)為過熱蒸汽,而第16/21級(jí)169 mm動(dòng)葉片強(qiáng)度工況和設(shè)計(jì)工況的級(jí)前蒸汽參數(shù)處于過渡區(qū)。參考文獻(xiàn)[1],分別對(duì)169 mm動(dòng)葉片工作在第14級(jí)和第16/21級(jí)時(shí)設(shè)計(jì)工況和強(qiáng)度工況的流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算,得到攻角、入口蒸汽過熱度和干度隨葉高的變化規(guī)律,分別如圖1、圖2所示。

圖1 169 mm動(dòng)葉片攻角隨葉高變化規(guī)律

圖2 169 mm動(dòng)葉片入口蒸汽過熱度和干度隨葉高變化規(guī)律

由圖1和圖2對(duì)比可見,相對(duì)于第14級(jí)169 mm動(dòng)葉片,第16/21級(jí)169 mm動(dòng)葉片的攻角在設(shè)計(jì)工況和強(qiáng)度工況下均偏大。在大攻角下,蒸汽在流動(dòng)中容易產(chǎn)生脫流,進(jìn)而產(chǎn)生較大的汽流激振力。第14級(jí)169 mm動(dòng)葉片入口蒸汽參數(shù)在設(shè)計(jì)工況和強(qiáng)度工況下均為過熱蒸汽,并且有一定的過熱度,而第16/21級(jí)169 mm動(dòng)葉片入口蒸汽處于過渡區(qū)。

3 動(dòng)葉片靜強(qiáng)度分析

參考文獻(xiàn)[2],計(jì)算得169 mm動(dòng)葉片工作在第14級(jí)和第16/21級(jí)時(shí),在額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min工況下離心拉應(yīng)力、偏心彎應(yīng)力和汽流彎應(yīng)力的合成應(yīng)力隨葉高的變化規(guī)律,分別如圖3、圖4所示。圖中負(fù)值代表受壓應(yīng)力,正值代表受拉應(yīng)力。

圖3 第14級(jí)169 mm動(dòng)葉片合成應(yīng)力隨葉高變化規(guī)律

圖4 第16/21級(jí)169 mm動(dòng)葉片合成應(yīng)力隨葉高變化規(guī)律

一般出汽邊小圓半徑小,應(yīng)力集中比進(jìn)汽邊和背弧嚴(yán)重得多。因此,在進(jìn)、出汽邊和背弧的應(yīng)力值相差不大時(shí),以出汽邊為校核對(duì)象。169 mm動(dòng)葉片材料為2Cr13鋼,取工作溫度為160 ℃,此溫度下材料的屈服強(qiáng)度為460 MPa,取安全因數(shù)為2,則許用應(yīng)力為230 MPa。第14級(jí)169 mm動(dòng)葉片最大靜應(yīng)力見表2。由表2可見,出汽邊最大應(yīng)力值107.9 MPa遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力230 MPa,第14級(jí)169 mm動(dòng)葉片靜應(yīng)力值滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

表2 第14級(jí)169 mm動(dòng)葉片最大靜應(yīng)力

工作在第16/21級(jí)的169 mm動(dòng)葉片,其工作溫度為110 ℃,12Cr13鋼在這一溫度下的屈服強(qiáng)度為480 MPa,如果取安全因數(shù)為2,那么許用應(yīng)力為240 MPa。

第16/21級(jí)169 mm動(dòng)葉片最大靜應(yīng)力見表3。由表3可見,出汽邊最大應(yīng)力值83.9 MPa遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力240 MPa,第16/21級(jí)169 mm動(dòng)葉片靜應(yīng)力值滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

表3 第16/21級(jí)169 mm動(dòng)葉片最大靜應(yīng)力

4 動(dòng)葉片安全倍率計(jì)算

影響葉片動(dòng)應(yīng)力的因素有很多,直接計(jì)算動(dòng)葉片的動(dòng)應(yīng)力難度很大,因此在工程實(shí)踐中,通過動(dòng)葉片的振動(dòng)頻率和安全倍率來(lái)校核葉片的動(dòng)強(qiáng)度。文獻(xiàn)[3]中葉片安全倍率Ab計(jì)算式為:

(1)

第14級(jí)和第16/21級(jí)169 mm動(dòng)葉片的安全倍率計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 169 mm動(dòng)葉片安全倍率計(jì)算結(jié)果

參考文獻(xiàn)[3],不調(diào)頻葉片安全倍率界限值見表5。

表5 不調(diào)頻葉片安全倍率界限值

5 動(dòng)葉片頻率計(jì)算

169 mm動(dòng)葉片通過鉚接圍帶連接,使動(dòng)葉片6支成組。第14級(jí)和第16/21級(jí)169 mm動(dòng)葉片入口蒸汽溫度分別為160 ℃、110 ℃,考慮到2Cr13鋼在這兩個(gè)溫度下的材料特性相差不大,取110 ℃時(shí)2Cr13鋼的材料特性進(jìn)行169 mm動(dòng)葉片組頻率計(jì)算,結(jié)果見表6。

表6 169 mm動(dòng)葉片組頻率計(jì)算結(jié)果

169 mm動(dòng)葉片組一階振型如圖5所示。

圖5 169 mm動(dòng)葉片組一階振型

頻率計(jì)算結(jié)果顯示,169 mm動(dòng)葉片組一階動(dòng)頻為353.4 Hz,非常接近350 Hz,此時(shí)激振倍率為7。考慮到加工制造誤差、安裝誤差和溫度影響,極有可能使169 mm動(dòng)葉片產(chǎn)生共振[4-6]。

169 mm動(dòng)葉片作為不調(diào)頻葉片使用時(shí),激振頻率為7時(shí)對(duì)應(yīng)的安全倍率為4.4。安全倍率計(jì)算結(jié)果顯示,第14級(jí)169 mm動(dòng)葉片在強(qiáng)度工況下的安全倍率為4.37,基本可以作為不調(diào)頻葉片使用。第16/21級(jí)169 mm動(dòng)葉片強(qiáng)度工況的安全倍率為4.00,明顯小于4.4,不滿足不調(diào)頻葉片的安全倍率界限值要求。

6 動(dòng)葉片斷裂原因分析

通過對(duì)169 mm動(dòng)葉片在第14級(jí)和第16/21級(jí)的氣動(dòng)、靜強(qiáng)度、安全倍率和頻率進(jìn)行分析,可以得到如下推斷:

(1) 第16/21級(jí)169 mm動(dòng)葉片的攻角與第14級(jí)169 mm動(dòng)葉片的攻角相比偏大,攻角偏大容易產(chǎn)生脫流,進(jìn)而產(chǎn)生較大的汽流激振力;

(2) 169 mm動(dòng)葉片的靜強(qiáng)度合格;

(3) 169 mm動(dòng)葉片極有可能存在共振,此時(shí)激振倍率為7;

(4) 工作在第14級(jí)的169 mm動(dòng)葉片基本達(dá)到不調(diào)頻葉片的安全倍率界限值要求,而第16/21級(jí)169 mm動(dòng)葉片的安全倍率明顯較低,不滿足不調(diào)頻葉片安全倍率界限值要求。

綜上所述,造成第16/21級(jí)169 mm動(dòng)葉片斷裂的原因是,第16/21級(jí)169 mm動(dòng)葉片的安全倍率較低,沒有達(dá)到不調(diào)頻葉片安全倍率界限值要求,葉片動(dòng)應(yīng)力較大而產(chǎn)生疲勞斷裂。同時(shí),葉片攻角偏大,造成蒸汽在流動(dòng)中易形成脫流,產(chǎn)生較大汽流激振力,加之入口蒸汽處于過渡區(qū),對(duì)葉片的斷裂起到了加速的作用。第14級(jí)169 mm動(dòng)葉片基本達(dá)到不調(diào)頻葉片安全倍率界限值要求,同時(shí)工作在過熱蒸汽區(qū)，攻角相對(duì)較小,因此較少發(fā)生斷裂事故。

7 改進(jìn)措施

第16/21級(jí)169 mm動(dòng)葉片的斷裂原因是共振和安全倍率偏低,因此對(duì)動(dòng)葉片進(jìn)行加強(qiáng)和改變其固有頻率是最直接有效的改進(jìn)措施。對(duì)動(dòng)葉片進(jìn)行加強(qiáng),一般需要加強(qiáng)動(dòng)葉片型線,這需要對(duì)動(dòng)葉片的流場(chǎng)、強(qiáng)度、振動(dòng)進(jìn)行重新計(jì)算和設(shè)計(jì),成本較高。通過改變動(dòng)葉片結(jié)構(gòu)進(jìn)而改變固有頻率,避開共振點(diǎn),是較為簡(jiǎn)單且成本較低的改進(jìn)措施。將原鉚圍帶結(jié)構(gòu)改為自帶冠圍帶加穿燕尾圍帶的結(jié)構(gòu),并增加松拉筋。結(jié)構(gòu)改進(jìn)后169 mm動(dòng)葉片如圖6所示。通過改變結(jié)構(gòu),使169 mm動(dòng)葉片形成整圈,并改變自振頻率。增加松拉筋還能增大葉片之間的阻尼,減小葉片動(dòng)應(yīng)力。

圖6 結(jié)構(gòu)改進(jìn)后169 mm動(dòng)葉片

對(duì)結(jié)構(gòu)改進(jìn)后整圈動(dòng)葉片的振動(dòng)特性進(jìn)行計(jì)算[7-10],結(jié)果見表7,振型如圖7所示。

表7 結(jié)構(gòu)改進(jìn)后整圈169 mm動(dòng)葉片振動(dòng)特性

圖7 結(jié)構(gòu)改進(jìn)后整圈169 mm動(dòng)葉片3 000 r/min時(shí)一階振型

根據(jù)整圈連接振動(dòng)理論,葉輪葉片系統(tǒng)帶節(jié)徑振動(dòng)與激振力頻率在滿足式(2)時(shí),能量才會(huì)輸入葉片系統(tǒng),激起危險(xiǎn)的帶節(jié)徑共振,即激起葉片的三重點(diǎn)共振。

Fdm=Kn=mn

(2)

式中:Fdm為節(jié)徑數(shù)為m時(shí)的葉片動(dòng)頻;m為全周連結(jié)葉片結(jié)構(gòu)振動(dòng)節(jié)徑數(shù);K為激振倍率;n為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。

葉輪葉片系統(tǒng)三重點(diǎn)共振調(diào)頻規(guī)則為,在47～51.5 Hz,即在轉(zhuǎn)速2 820～3 090 r/min之間不允許有激振倍率小于等于8的三重點(diǎn)共振。結(jié)構(gòu)改進(jìn)后169 mm動(dòng)葉片坎貝爾圖如圖8所示。由圖8可見,在規(guī)定范圍內(nèi)并無(wú)激振倍率小于等于8 的三重點(diǎn)共振,因此結(jié)構(gòu)改進(jìn)后整圈169 mm動(dòng)葉片的動(dòng)頻合格。

圖8 結(jié)構(gòu)改進(jìn)后169 mm動(dòng)葉片坎貝爾圖

8 結(jié)束語(yǔ)

通過對(duì)100 MW高壓汽輪機(jī)組第14級(jí)和第16/21級(jí)169 mm動(dòng)葉片流場(chǎng)、靜應(yīng)力場(chǎng)、安全倍率、固有頻率進(jìn)行計(jì)算分析,推斷第16/21級(jí)169 mm動(dòng)葉片的斷裂原因?yàn)榘踩堵瘦^低,沒有達(dá)到不調(diào)頻葉片安全倍率界限值的要求,動(dòng)應(yīng)力較大而產(chǎn)生疲勞斷裂。同時(shí),169 mm動(dòng)葉片攻角偏大,造成蒸汽在流動(dòng)中易形成脫流,產(chǎn)生較大的汽流激振力,加之入口蒸汽處于過渡區(qū),對(duì)169 mm動(dòng)葉片斷裂起加速作用。將169 mm動(dòng)葉片改為自帶冠圍帶加穿燕尾圍帶的結(jié)構(gòu),并增加松拉筋,整圈169 mm動(dòng)葉片動(dòng)頻滿足葉輪葉片系統(tǒng)三重點(diǎn)共振的調(diào)頻準(zhǔn)則。首臺(tái)安裝結(jié)構(gòu)改進(jìn)后169 mm動(dòng)葉片的高壓汽輪機(jī)組從2008年運(yùn)行至今,未發(fā)生任何169 mm動(dòng)葉片斷裂事故,確認(rèn)改進(jìn)措施有效。