燃氣發電機冷卻風扇葉片故障分析研究

石 冉

（華陽集團煤層氣發電分公司，山西 陽泉 045000）

引言

燃氣發電機是電廠中心設備鏈的關鍵環節，應將設備維護作為處理發電機葉片保護和可預測安全性問題的重要因素。為了更好地維護和提高發電機的性能，需要使用一個冷卻系統來驅散線圈（銅導線）和發電機電路中產生的熱量。通常的一種方法是使用軸向風扇。風機葉片冷卻空氣在一個封閉空間中循環，在空氣通過轉子后，從發電機頂部加熱和排出，然后通過冷卻器、水流冷卻。冷空氣再次流向轉子，使用安裝在發電機側固定圈上的風扇在轉子周圍吹散熱氣[1]。每個風扇由11個葉片組成，通過使用11個間隔片（間隔片）分開。但是一旦有些葉片穿透定子線圈（銅導線），導致轉子與定子之間短路，則會導致機組爆炸，造成大量的經濟損失。因此有必要對燃氣發電機葉片的故障狀態進行分析，提高葉片的可靠性，保障發電過程的順利進行。

1 冷卻風扇葉片材料屬性問題

1.1 材料和微觀結構的研究

根據文獻資料表明，在葉片上進行的材料試驗得到的結果表明，葉片材料為鋁2024[2]。葉片上的冶金檢查結果還表明，葉片不是通過壓鑄產生的，而是成型、銑削、成形和最終拋光葉片表面。葉片長度方向上的晶體分析顯示。在該葉片中進行了熱處理為T351的加熱操作。鋁2024材料的機械性能中拉伸強度為470 MPa、屈服強度為235 MPa、疲勞持續性強度為140 MPa[3]。同時在冷卻風扇達到3 000 r/min時，測量了動態應力。將這些應力與極限應力進行比較表明，施加給葉片的應力比該極限應力數值要低得多，因此在正常操作條件下不可能出現葉片故障。冷卻風扇葉片如圖1所示。

圖1 燃氣發電機冷卻風扇葉片示意圖

1.2 冷卻風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，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，已經形成了非線性截面的斷裂狀態。所研究的合金已經開始沉淀硬化，這些金屬材料殘渣顆粒造成了幾乎平行形式但離散的疲勞線。

圖2 疲勞裂紋擴展而引起的線路示意圖

當然，也有可能將外部物體穿透葉片的外表面會導致應力集中，并簡化了裂紋的開始。對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。裂紋的起點是葉片根中心部分的一個或多個點（位于凹凸側），由于葉片旋轉過程中的替代載荷，裂紋因疲勞而傳播，從而導致葉片斷裂。

2 冷卻風扇葉片斷裂故障的應力分析

2.1 仿真環境的建立

為了研究風機葉片的應力，應對風機進行仿真模擬。采用了仿真計算方法來分析流體的流動、應力和振動。判斷分離現象和湍流是否是風扇葉片斷裂的原因。

葉片兩側壓力分布振蕩變化引起的振動可能導致葉片疲勞。因此，進行計算流體動力學分析的目的是實現葉片周圍的風速分布，研究氣流管道和確定葉片上的空氣壓力產生的力。

風機葉片的“速度入口”假定為空氣入口條件。冷卻空氣的總容積流量為45.6 m3/s，其中一半指向渦輪端風機，另一半指向勵磁機端風扇。在入口管截面中，空氣速為16.71 m/s[4]。另外，應注意空氣通道面積是通道與發電機軸截面的差。

同時提出假設，風速流動和流體的其他條件包括湍流、可壓縮流體（空氣）和不可壓縮流動都假設為線性特征。因為所有出口區域及其管道沿線的空氣壓力均勻（大約等于環境壓力），因此假設為線性特征。為了減少解域以達到最快的求解速度，同時使用周期分析，加速聚合迭代計算的快速完成。

通過ANSYS有限元仿真軟件建立起冷卻風扇葉片的網格模型，如圖3所示。

圖3 冷卻風扇葉片有限元網格模型

2.2 計算結果分析

經過氣流分析，得到了葉片表面的空氣壓力分布。葉片兩側的壓差自然，不會引起葉片問題。葉片背面和葉片頸的負相對壓力已降至56 kPa[5]。關于空氣相對速度向量的結果，可以觀察到風量通過葉片上形成完全相切狀態，并且沒有發生分離現象。此外，在冷卻風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速度矢量示意圖

3 冷卻風扇葉片斷裂故障的模態分析

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

首先對冷卻風扇葉片進行了建模，研究固有頻率的影響。為了評估這些條件，研究了四種不同的狀態[6]：

1）葉片螺栓周圍的所有點都是固定的；

2）葉片所有帶螺栓的相同高度的點均已固定；

3）除了具有固定螺栓的相同高度的所有點外，與保持環接觸的元件也不會移動；

4）整個葉片的刀片都固定在各個方向上。

計算了這四種狀態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引起的激發力的頻率（11個葉片中每個葉片50 Hz，合計550 Hz)，因此在上述條件下發生共振是非常可能的。

對于所得結果，該分析表明，大部分頻率下的正常應力值約為10 MPa。這個值在頻率400~450 Hz的范圍內，將增加到20 MPa，這仍然遠低于葉片材料的耐久性極限。由于該應力循環施加，超過材料耐久極限，將減少葉片工作壽命，導致多次循環后失效。

然而，在共振條件下，施加在葉片根上的正常拉伸應力超過160 MPa。

在共振條件下，材料耐久性極限將接近葉片應力的80%。這意味著葉片在無限的時間內不能忍受共振狀態。因此，葉片過緊固定螺栓是不合適結構安全的，可能出現共振狀態。

同時計算出最大應力區域位于兩個位置，一個位于翼型的凸面，另一個位于其凹面，位于翼型和葉片根的連接點。因此，葉片應從這兩點之一發生破裂。對葉片斷裂的觀察證實了這一結論，在葉片的設計及制造過程應中對該部位進行加強。

4 結論

1）對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小；

2）計算流體力學分析表明，氣流引起的力不足以導致葉片破裂；

3）對于葉片周圍的氣流線，可以得出路徑線與葉片完全相切，且未發生分離現象；

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范圍內施加應力，其葉片的使用壽命將受到影響。

5）燃氣發電機在運行后的早期（小于100 h）和第一次運行或維修后，如果元件未早期斷裂，并獲得計算流體力學和振動分析結果，則斷裂現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。