某型发动机叶片断裂故障分析 中文
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某电厂 #3机叶片断裂故障分析及处理摘要:某电厂#3汽轮机叶片大修时发现一叶片断裂,为了避免机组重大事故发生,电厂对断裂原因进行了分析并制定了防范措施关键词:汽轮机、叶片,断裂,疲劳,振动1.机组概况#3机是上海汽轮机厂制造的单缸、冲动、抽汽冷凝式具有一级调整抽汽汽轮机,型号:C60-8.83/1.275-2。
机组额定功率50MW(已扩容至60MW),主蒸汽压力:8.83MPa,主蒸汽温度:535℃,低压调整抽汽压力:1.27 MPa。
2004年,由哈尔滨哈汽电站设备有限公司改造扩容,由50MW扩容至60MW。
机组上次大修时间2013年5月。
二、故障介绍2017年9月10日热电站3#机组因发电机差动保护动作联锁停机,因发电机转子需出厂抢修,#3汽轮机转大修,同步开展寿命评估工作。
汽轮机开缸后发现末三级动叶片有两片断裂(见图1)。
转子外观目测发现末三级叶片大面积击打损伤,经省特检院磁粉检测,末三级需更换叶片37片,热电厂报采购计划,哈尔滨哈汽电站设备有限公司加工新叶片。
10月11日,我厂认为末四级叶片进汽侧也存在击打损伤,为确保安全再次联系省特检院对末级四叶片进行检测,经检测末四级叶片需更换41片。
10月28日,转子运往北京北重汽轮电机有限责任公司,更换叶片,拔末四级叶轮配合大轴检测等寿命评估相关工作。
11月4日,末三级、末四级叶片拆卸完毕,省特检院结合寿命评估对末三、末四级叶片进一步检测,根据DL/T 438-2016《火力发电厂金属技术监督规程》第12.2.1节规定,省特检院认为末三级共126片叶片进汽侧均存在大量严重的碰撞痕印和划痕需全部更换(见图2),末四级叶片有85片叶片的进汽侧存在严重的碰撞痕印需更换,并告知我厂。
11月6日,热电厂机动科、公司机动处、省特检院共同到北重对拆卸的叶片进行检查确认,同意按照特检院建议的叶片更换数量进行更换,热电厂提报紧急采购计划,哈汽电站设备有限公司加工新叶片,对上述叶片更换。
汽轮机叶片断裂故障诊断及处理分析摘要:在工业生产中,汽轮机作为重要设备,与工业生产有着密切的关系。
为了保障工业良好生产,需要保障汽轮机稳定运行,本文以汽轮机叶片为例,分析汽轮机叶片断裂的故障和原因,然后根据具体原因提出建设性防治措施,降低汽轮机叶片断裂发生的概率,从而保证汽轮机稳定运行。
关键词:汽轮机;断裂;故障诊断;处理引言汽轮机在工业生产中占有重要的地位,直接关系着工业是否能够稳定生产,因此在实际生产中需要保证汽轮机稳定运行。
但在实际中,由于工作环境等因素,汽轮机在运行过程中经常会出现叶片断裂的情况,严重影响了汽轮机正常运行,给工业生产带来了不良的影响。
基于此,需要对汽轮机叶片断裂问题展开探究,分析叶片断裂出现的原因,然后制定有效的解决措施。
1汽轮机叶片发生断裂故障的现象及原因1.1汽轮机叶片发生断裂故障的现象当汽轮机叶片发生断裂故障时,会伴随着以下一些现象发生,技术人员可以根据这些现象来判断汽轮机叶片是否出现断裂,其中具体内容有以下几点:①当听到汽轮机内部或凝汽器内部出现金属碰撞的声音,则表明有异物进入到汽轮机内部或者凝汽器内部,而汽轮机一般都有做密封处理,因此外来异物进入可能性比较低,很有可能就是汽轮机叶片发生断裂;②机组突然出现激烈的振动或者振幅突然增加,则可以检查汽轮机叶片情况,观察其是否出现断裂的问题;③当出现倒止门卡涩的情况,可以检查是否是汽轮机断裂的叶片进入到抽气管中引起的[1];④当在盘车时,听到设备里面有金属摩擦声音,这也有可能是汽轮机叶片发生断裂引起的;⑤当汽轮机叶片出现损伤时,相同载荷下,蒸汽流量会变大,而且监控区段的压力也会增大。
1.2汽轮机叶片发生断裂故障出现原因工业汽轮机叶片发生断裂故障是多方面因素引起的,因此在对汽轮机叶片断裂故障进行处理,需要确定故障发生的原因,其中比较常见的原因有以下几点。
第一,机械损伤。
在汽轮机运行时,如果有外来的杂质随蒸汽进入汽轮机内,就会给叶片造成损伤。
汽轮机叶片断裂故障诊断及处理分析摘要:由于机组设计、制造精度和正常运行等技术问题,汽轮机组在运行过程中,叶片断裂等事故时有发生。
叶片本身的断裂和二次损坏直接威胁到汽轮发电机组的安全稳定运行。
基于此本文就汽轮机叶片断裂故障诊断及处理进行阐述,以供参考。
关键词:汽轮机组;叶片故障;故障诊断;故障诊断系统;1汽轮机叶片断裂机理1.1工作温度对汽轮机叶片的影响在汽轮机叶片处于工作状态中,叶片特别是动叶片,一般会工作在非常恶劣的条件里,例如,温度和热应力,就会导致叶片受到电化学腐蚀和水珠的侵蚀,正如人们都知道的电化学腐蚀是这些腐蚀中最严重的,电化学腐蚀甚至会损害汽轮机叶片,使叶片会出现裂纹。
有时候,汽轮机叶片需要在特定的高温环境下工作,这对于汽轮机叶片来说是最需要克服的困难。
汽轮机各阶段的叶片在运行过程中的温度不同,首先,前一阶段的叶片处于高温状态,随后的各个阶段叶片的温度会逐渐下降,直至最后一阶段的温度也会下降,最后一阶段的叶片中会有大量的水分,这些水分凝结成水珠,然后撞击汽轮机的动叶片,导致严重水蚀现象发生。
1.2应力状态对汽轮机叶片的影响汽轮机启动时,其下方的风机叶片通常会受到一些大面积的热静应力和热交变应力。
高静应力是因为发电机转子叶片在旋转操作期间需要在叶片方向上承受较大的机械离心力而旋转。
汽轮机旋转叶片旋转越长,转子叶片的最大速度应力变化越大,承受的离心力越大,产生的拉应力越大。
此外,在实际工作或循环使用期间,汽轮机转子上总会有一定量的高温蒸汽流。
在这些巨大高压蒸汽流的强烈作用下,将带来汽轮机巨大的高温压力流,叶片表面也将承受自然运动产生的具有一定强度的径向弯曲应力场和径向扭转。
当该振动的波频与汽轮机叶片上产生的固有振动波频完全一致时,叶片将在该径向激振力场产生的强大作用下被迫弯曲和振动,一定频率振幅变化的电磁共振现象会自动发生,振幅会增加,交变应力会逐渐增加,导致汽轮机叶片因过度疲劳而断裂。
图1 汽轮机高压转子气流受力分析图汽轮机启动时,其下方的风机叶片通常会受到一些大面积的热静应力和热交变应力。
高静应力是因为发电机转子叶片在旋转操作期间需要在叶片方向上承受较大的机械离心力而旋转。
汽轮机旋转叶片旋转越长,转子叶片的最大速度应力变化越大,承受的离心力越大,产178研究与探索Research and Exploration ·智能检测与诊断中国设备工程 2022.12 (下)术。
刀片错误模式也可以直接以刀片错误树的形式表示。
3.2 叶片故障诊断系统(1)汽轮机叶片裂纹检测是旋转机械故障诊断的重要组成部分,在国内外得到了广泛的研究。
目前,国外已经开发了基于声多普勒信号的刀具裂纹缺陷监测系统。
该系统沿叶轮圆周布置两个高灵敏度传感器,在激光鉴相器的控制下采集叶片振动的声信号,利用裂纹扩展引起的叶片频率波动引起的共振事件监测叶片振动的产生,并采用时域同步平均值来降低噪声,在国内外已有较多的研究。
目前,国外已研制出一套基于多普勒信号的刀具裂纹检测系统。
这个系统将在叶轮周围设置两个高灵敏度的传感器,通过激光鉴相仪对叶片的振动进行检测,从叶片缠身过的机理入手监测叶片产生振动的过程并对其进行时间同步处理,然后利用平均值降低噪声。
(2)在美国西屋公司研究小组的支持下,研制了一种基于双探头叶片结构的汽轮机振动和不平衡振动接触试验监测与补偿检测装置,并成功应用。
它不仅可以直接、连续地测量汽轮机叶片向顶部水平方向的平衡同步偏转,还可以对不平衡同步旋转偏转振动和扭转振动进行现场综合评价,分析汽轮机叶片和汽轮机自身的各种机械损伤和变形,评估汽轮机叶片修复最佳方案的优缺点,并在调整和设计后进一步检查叶片结构的性能。
3.3 叶片故障诊断技术的发展趋势随着国内计算机技术基础理论研究方向的进一步发展,计算机辅助系统监测与分析手段逐渐被越来越广泛地应用于叶片系统的各种故障检测、分析、诊断和监测技术中,通过采用各种计算机信号检测以及计算机识别的新方法,大大提高了系统监测和处理的质量,以及系统监测和诊断工作过程中信息的动态可靠性。
某柴油发动机增压器涡轮叶片断裂故障浅析发布时间:2022-07-22T02:40:19.365Z 来源:《城镇建设》2022年第5卷3月第5期作者:尹光跃黎磊[导读] 某柴油发动机在稳态试验过程中进气量突然减少,涡前排温升高,检查发现增压器卡滞,涡端叶片掉落。
尹光跃黎磊广西玉柴机器股份有限公司广西玉林市 537005广西玉柴机器专卖发展有限公司广西玉林市 537005摘要:某柴油发动机在稳态试验过程中进气量突然减少,涡前排温升高,检查发现增压器卡滞,涡端叶片掉落。
本文针对增压器涡轮叶片断裂原因进行故障分析和整改,结果表明:涡轮叶片设计选配不当,离心应力与振动应力叠加,使涡轮叶片应力过高,最终导致疲劳断裂。
在此基础上对涡轮结构进行了优化,倍频比由4.61提升到5.5,涡轮叶片应力得到明显改善(由535MPa降到456MPa),改善方案经过专项疲劳及可靠性验证,故障未重现,问题得到解决。
关键词:柴油发动机;增压器;涡轮叶片断裂;倍频比引言涡轮增压器是一种高速旋转的机械,最高转速达(15~20)万转/分,当增压器高速运转时,涡端工作条件非常恶劣,涡轮叶片承受超高的机械应力和热应力。
如果涡轮叶片、涡轮轴承、压气机叶轮等运动部件在使用过程中发生故障,会导致增压器在短时间内损坏,影响整机/整车正常运行。
本文针对某4.8L排量增压中冷柴油发动机在试验过程中发生的增压器涡轮叶片断裂故障原因进行分析,对其进行强度和应力计算,并根据分析结果对涡轮结构进行了设计优化。
1增压器工作原理涡轮增压器就是利用发动机排出的高温、高压废气,驱动增压器涡轮高速旋转,带动同轴的压气机叶轮同步等速旋转,大量新鲜空气通过压气机叶轮的高速旋转被吸入并压缩后经中冷器冷却后送入发动机气缸。
由于进气量大幅增加,氧气密度增大,使燃烧更充分,显著提高了动力性和燃油经济性(柴油车15~20%),改善发动机排放(氮氧化物减少70%、颗粒排放物减少80%)。
航空发动机涡轮叶片断裂原因分析【摘要】本文针对实际使用中航空发动机涡轮叶片断裂的故障,从理论上分析造成断裂的机理,分析实际中引起涡轮叶片断裂的原因,并提出预防措施,对飞行安全起到一定的参考价值。
【关键词】航空发动机;涡轮叶片;断裂分析0 引言涡轮叶片是航空发动机最主要的结构件之一,由于其长期工作在高温燃气包围下,承受转子高速旋转时叶片自身的离心力、气动力、热应力以及振动负荷,是发动机中工作条件最为恶劣的零件。
在实际的使用过程中,由于各种原因,涡轮叶片可能发生断裂。
当涡轮叶片断裂时,不仅会出现发动机振动进而引起飞机振动,还会打坏其他机件、甚至导致飞机着火等现象,这将严重影响到飞行安全。
长期以来,由于涡轮叶片断裂引发的飞行事故在飞行中屡见不鲜。
本文从涡轮叶片的工作条件出发,分析了引起涡轮叶片断裂故障的原因,并举例分析,在此基础上指出预防措施。
1 涡轮叶片故障机理从理论上看,涡轮叶片断裂的故障机理有疲劳、超应力、蠕变、腐蚀、磨损等。
1.1 疲劳发动机工作时,由于经常起动、加速、减速、停车以及其他条件的影响,发动机内流扰动、自激振动、流动畸变、转子不平衡、燃气温度分布不均等激励因素的作用,会使涡轮各部件承受复杂的循环载荷作用,使得叶片经受大量弹性应力循环,最终引起高周疲劳、低周疲劳或热疲劳,使得涡轮叶片断裂。
其中,高周疲劳是指失效循环数范围在105—107周次的疲劳。
低周疲劳是指失效循环数低于104—105周次的疲劳。
高周疲劳和低周疲劳都能够引起涡轮叶片断裂,实际使用中,断裂还会来自于高低周复合疲劳[1-3]。
热疲劳是来自于涡轮叶片温度的循环变化。
涡轮叶片的温度的循环变化来自于燃气温度的变化。
1.2 超应力涡轮叶片的组成包括叶根、叶身和叶冠。
由于其形状的不规则,叶片中存在应力集中部位。
尽管在设计中已经采取了一些措施,实际上,超应力仍然是造成涡轮叶片断裂的一个原因。
1.3 蠕变高温环境下,蠕变断裂是涡轮叶片主要的失效形式之一。
发动机压气转子叶片断裂失效分析摘要:航空发动机在长期使用后压气机Ⅲ级转子叶片断裂失效。
对叶片表面及断口的宏微观形貌进行了观察和能谱分析,并对叶片的组织和硬度进行了检测。
研究结果表明,发动机压气机Ⅲ级转子叶片是在存在严重腐蚀损伤情况下发生的振动高周疲劳断裂,空气中的S,Cl元素导致叶片进气边产生严重的腐蚀损伤,对疲劳裂纹的萌生起着重要的作用。
基于此,下面,本文将对发动机压气转子叶片断裂失效进行分析。
关键词:发动机;压气转子叶片;叶片断裂;失效分析引言:航空涡轮喷气发动机是以空气为工作介质的航空器动力装置,其基本工作原理是:外界的空气通过航空器进气道引人压气机,再由压气机增压后进人燃烧室;燃烧室对空气加热,产生高温、高压的燃气;燃气在涡轮中膨胀做功,使涡轮部件转动并带动压气机旋转继续压人空气,同时从涡轮中流出的高温高压燃气在尾喷管中继续膨胀,沿发动机轴向高速从喷口向外喷出,使发动机获得反向推力。
压气机是航空涡轮喷气发动机的关键部件之一,其主要作用是提高作为发动机工作介质的空气的压力。
压气机主要由机匣、转子叶片和静止叶片三大部分组成。
转子叶片是航空发动机结构件中的关键零部件之一,由于其为高速旋转的动部件,数量多、形体单薄、载荷状况严酷、工作环境复杂,使其一直成为发动机使用和实验中故障率最高的零部件之一;而且,转子叶片的损坏还对整机性能影响很大,有的甚至可以导致严重的事故。
航空发动机压气机叶片常常因共振而导致断裂失效,因此,下面,本文将会分析发动机压气转子叶片断裂失效问题。
一、发动机压气转子叶片的失效影响因素低压压气机3级轴流式(CFM56-5C为4级)。
3级转子为整体钛合金锻件制成。
高压压气机9级轴流式。
进口导流叶片和前3级静子叶片可调,静子机匣为对开式,6~9级机匣为双层结构,外层机匣上设有5级空气引出口,内层机匣为低膨胀合金制成并在5级引出空气包围中,起到了控制压气机后面级间隙的作用。
转子鼓筒1~2级为钛合金锻件惯性摩擦焊成,3级盘为钛合金锻件制成,4~9级为Rene95惯性摩擦焊成。
工业技术科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald 78某台某型燃气发生器高压压气机转子n2转速达到81%、排气温度为630 ℃时,燃气发生器动力涡轮部分发出异响,机组控制人员紧急停车并检查发动机通道,发现高压压气机转子叶片严重打伤、部分叶片已经断裂,进气道过渡段与前机匣结合面的螺栓因受振动影响,有一多半的固紧螺栓已脱落。
经查看了试车数据记录,各项运行参数与此前燃气发生器运行状态和记录数据未发现异常波动。
1 故障现象某型燃汽轮机在起动过程中,发现燃气发生器的排气涡壳悬臂段摆动幅度较大,振动值明显大于台架试车时的状态;当n 2转速在6000~8400 r pm范围内时出现振动故障,振值最高达到230 m m /s (设计要求振值为:20~40 mm/s),持续运行25 s左右,燃气发生器转速不能继续提升;燃气发生器上部减速器与中介机匣连接处发生碰磨后出现火星飞溅现象。
停车后检查燃气发生器发现,进气道过渡段上的清洗环与进气道连接的6根Ф8不锈钢管齐根断裂,同时进气道过渡段与燃气发生器前机匣连接的螺栓(由锁片锁紧)全部松动脱落;拆下上部减速器进行分解后,发现上部减速器与中介机匣连接处衬套因磨擦而出现沟槽。
为此,对上部减速器与中介机匣连接处衬套进行了现场修理并重新安装;上部减速器与中介机匣连接处冒白烟而紧急停车。
振动值在n 2=6000~7638 r p m 依然很大,最大值达到180 m m /s ;燃气发生器经简单排故后第2次启动,当n 2=6000~7929 r p m 时,振动值依然很大,最大值仍可达到180 m m/s。
因上部减速器与中介机匣连接处再次冒出白烟,动力涡轮部分发出异响而再次紧急停车。
停车后检查燃气发生器,发现进气道过渡段与前机匣结合面的螺栓一多半已脱落。
2 故障判断根据外场故障现象,经分析认为:某型燃气发生器排气涡壳为薄壁件,刚性差。
某汽轮机断叶片故障案例分析(2)叶片断裂是大型旋转机械中典型的不平衡类故障,同时也是会给机组带来非常严重后果的故障之一。
我们再来回顾一下:机组振值的突然跳变有三种可能:叶片断裂、异物进入和垢层脱落。
它们的故障机理和不平衡故障是相同的,主要特征有三条:1.振动的通频振幅在瞬间突然变化;2.振动的特征频率是转子的工作频率;3.工频振动的相位也会发生突变。
第一部分:设备概况首先我们还是来看一下本期所要讲述的设备的基本情况。
该合成气机组由汽轮机驱动压缩机。
其中,汽轮机振动的报警门限为70μm,联锁门限为100μm,机组总貌图如图1所示。
图1 合成气机组总貌图第二部分:故障现象2017年8月24日11:29分,合成气汽轮机四个通道在转速未做调整的情况下,汽轮机进汽侧两通道振值突然出现大幅跳变。
从稳定运行时的30μm,变化至60μm左右,变化时间在2s以内;排汽侧也同步小幅变化了10μm左右。
随后机组运行过程中,汽轮机各通道振值随转速变化始终比较同步,见图2。
图28月24日振动通频趋势图由于没有到达报警值,用户研究决定继续观察运行。
机组运行至11月30日21:20时,汽轮机四个通道振值再次出现大幅跳变。
表现为进汽侧两个通道下降(我们在第一讲的时侯说明过,振动突然下降也是非常危险的),排汽侧两个通道大幅上升,最大达到80μm,见图3,随后机组降转速运行,振值最大达到95μm,不得不停机检修。
图311月30日振动通频趋势图第三部分:原因分析2017年8月24日汽轮机第一次出现振值跳变时刻,各通道GAP电压趋势稳定,说明传感器系统正常,为真实信号;对比相关工艺量数据,均无明显同步关系,因此可排除工艺调整方面的原因。
结合振动图谱,发现引起振值变化的主要特征频率为1X,且1X相位同步发生大幅变化(见图4、图5)。
图4 第一次突变时1X幅值趋势图5第一次突变时1X相位趋势在振值突变时刻,波形图清晰地记录了这一时刻的突变过程,频谱图上丰富、活跃的低频成分表征了振动跳变的过程中出现了碰摩(见图6)。
《装备维修技术》2021年第6期—117—航空发动机自由涡轮叶片裂纹故障分析常 哲(中国航发南方工业有限公司,湖南 株洲 412002)1 引言航空发动机涡轮叶片长期处于高温、高压、高速的恶劣环境中工作。
在气动、机械和热力综合的作用下,涡轮喷嘴的结构强度和振动更为显著。
所以需要提高发动机性能,增加空气流量,薄板变薄变长,这很容易导致振动问题,导致叶片开裂甚至碎裂。
如果叶片出现裂缝需要格外重视,一半采用误差分析法,从设计、试生产、试验载荷等方面分析了裂纹的原因。
以自由涡轮轴破裂为例子,通过无损检测、刀频测量、金相分析和试验,对产生误差的原因进行了分析,通过分析错误的原因进行解决。
同时采用三维的模型模拟试验条件,对强度和振动特性进行数值模拟分析。
找出了涡轮发动机的裂纹产生的主要原因,并提出了相应的改进建议。
2 故障概述在对某涡桨发动机进行首翻期寿命试车中发动机例行定检时,发现在自由涡 在对某涡轮发动机第一次试车期间的定期检查中,发现自由涡轮的转子叶片有裂纹的情况发生。
利用磁流和荧光对载具平台上的叶片进行了确认。
荧光分析证实45叶片的高拉深边缘有一条5-7mm 长的裂纹在孔探未发现其它部位异常,磁插件检查未发现异常金属碎片找到了油谱分析正常。
它给出了测试运行中的五个测试光谱。
各试验谱的完成情况,检测到故障时,发动机已经运转了800多个小时。
3 检查与分析结果3.1荧光检查 对发动机的拆除进行了核查,并对27个自由涡轮叶片进行了荧光检查。
X 光荧光检测显示,六个叶片(包括试验台上的叶片)有裂缝。
裂缝叶片分布在红色转子上,黑线长度为裂缝裂缝片具有均匀分布的网球面直径、异常接触迹象。
没有摩擦或撞击的痕迹形式可以看出,裂缝片安装位置的分布比较谨慎,没有规律外表“27号黎明”的较长裂缝为10毫米,其余五个最大裂缝之一约为4毫米。
拉先生叶片上的裂纹位置类似于叶片端部约8至10毫米,约为叶片高度的20%叶片高度约45毫米,且裂纹垂直于排气和类似形状的边缘。
汽动引风机叶片断裂故障分析与处理
《汽动引风机叶片断裂故障分析与处理》
汽动引风机叶片断裂是一种常见的故障,它会对汽动引风机的正常运行造成严重影响。
因此,对叶片断裂故障的分析和处理显得尤为重要。
首先,需要进行故障分析,主要有以下几点:1、叶片断裂的原因,可能是由于叶片材质、结构设计不合理,或者是叶片受到外力损坏;2、叶片断裂的位置,叶片断裂的位置会影
响汽动引风机的正常运行;3、叶片断裂的程度,叶片断裂的程度越大,汽动引风机的效
率就越低。
其次,需要根据故障分析结果,采取合理的处理措施,主要有以下几点:1、更换新的叶片,以恢复汽动引风机的正常运行;2、对叶片进行润滑,以减少叶片的磨损;3、检查叶片的结构设计,以确保叶片的质量和结构合理;4、限制叶片受到外力损坏的可能性。
综上所述,叶片断裂故障的分析和处理是非常重要的,只有正确分析故障原因,采取合理的处理措施,才能有效地保证汽动引风机的正常运行。
大型汽轮机叶片事故原因分析在火电厂、核电厂机组运行过程中,汽轮机叶片工作在高温、高压、高转速或湿蒸汽区等恶劣环境中,经受着离心力、蒸汽力、蒸汽激振力、腐蚀和振动以及湿蒸汽区高速水滴冲蚀的共同作用,再加上难以避免的设计、制造、安装质量及运行工况、检修工艺不佳等因素的影响,常会出现损坏,轻则引起汽轮发电机组振动,重则造成飞车事故。
因此,汽轮机叶片的安全可靠直接关系到汽轮机和整个电厂的安全、满发。
汽轮机叶片事故长期困扰电厂机组的安全经济运行。
从国内统计数据看,叶片损坏事故占汽轮机事故的30%。
叶片损坏的位置,从围带到叶根都有。
据日本历年的统计资料,各部位出现损坏的百分率见表1。
此外,汽轮机各级叶片的损坏机会是不均匀的,据美国对50台大型机组的统计,叶片事故几乎全发生在低压缸内,其中末级占20%,次末级占58%,而且集中区是高压第一级,即调节级。
据日本的统计,也有20%的事故发生于此。
因此,在汽轮机设计和运行时,均应注意这些部位。
叶片损坏的原因是多方面的,可以从不同角度加以分析。
例如,从发生的机理区分,60%~80%的损坏原因是振动;从责任范围区分,可归纳为设计、制造、安装、运行和老化等。
在实际工作中,如果能及时找出主要原因,掌握叶片事故前后的征兆,采取相应措施,就能避免事故的发生,提高机组的使用寿命和安全可靠性。
1、近年来大型机组叶片损坏概况从近年来发生的17例叶片故障统计中,笔者分析了上海汽轮机有限公司、哈尔滨汽轮机有限责任公司、东方汽轮机厂、北京重型电机厂(表中简称上汽、哈汽、东汽、北重)生产的以及美国、日本、前苏联和欧洲一些国家引进的200 MW以上超高压、亚临界及超临界压力大功率汽轮机叶片故障。
这些故障造成叶片损坏的形式分为损坏(丧失基本功能,危及安全)和损伤(降低经济性,能安全使用)。
叶片损坏形式:折断、裂纹、扭弯、二次损坏及其它;叶片损伤形式:蜂窝状、开焊、麻点、锈蚀、擦伤。
2、叶片故障原因分析2.1 叶片故障的特点(1) 叶片故障发生在低压缸的有13例,占统计总数的82.35%,而末级叶片损坏又为多发部位,有9例,占统计总数的52.94%,调速级有2例,占统计总数11.76%,中间级所占比例很小。
某型发动机二级压气机叶片断裂故障分析研究
某型发动机二级压气机叶片属于事故多发*零部件.最近又发生了叶身断裂故障,该故障是一种新型故障,与二扭共振引起的叶尖掉角故障不同:疲劳源位于叶盆中上部,靠近叶尖断裂飞出,断裂飞出部分约为叶片的1/3,故障件断口部分呈"S"型.本文从叶片断口金相、扫描电镜分析、振动特*计算分析、叶片静频和振型测量、疲劳破坏试验、第10阶相对振动应力测量和叶片疲劳寿命评估等研究工作,分析得出造成叶片疲劳破坏的故障机理是叶片第10阶振型在发动机0.8额定转速发生共振和叶盆表面损伤.。
某型发动机叶片断裂故障分析Fracture Analysis of a Typical Aero-engine’s Blade
叶片是发动机中的关键零件,因此对叶片强度、振动、耐久性、可靠性研究越来越显得重要。
叶片工作时要受有较高的离心负荷,热负荷以及由振动引起的交变负荷及腐蚀、氧化等方面的影响,特别是前几级压气机叶片还受到发动机进气道外来物的冲击,并受风砂,冰雹,鸟撞及海洋气候的腐蚀,这就更使叶片故障大大增多,在发动机实际工作中常常发生发动机叶片裂纹和折断故障。
本文通过对叶片振动特性的计算分析,全面的探讨了改变叶片材料、温度、转速及叶片的边界条件对叶片固有振动频率的影响,进而得到叶片振动特性对叶片掉角故障的影响,判断叶片断裂原因,制定有效的改进措施。
以某型发动机压气机第二级转子叶片掉角故障为例,利用ANSYS软件计算该型发动机原型及A型叶片在非旋转态及旋转态时的固有振动特性,作Campbell图进行共振分析及叶片的动力响应分析;并对压气机工作叶片的动力响应,即位移响应和响应应力作了较全面的分析研究;分析了激振力频率在叶片第一阶固有振动频率附近时的共振响应及尾流激振下叶片的动力响应;与已有试验结果对比进行综合研究。
通过计算分析结果表明:某型发动机压气机第二级转子叶片掉角故障主要是由于叶片在慢车转速附近时,产生了二阶扭转振型的共振,导致高周疲劳损伤,边界条件对叶片的振动特性影响不大;在非旋转态下,约束榫头底面时叶片固有振动频率最低,约束榫头与轮盘接触面叶片的固有振动频率稍高,而榫头完全约束时叶片的固有振动频率最高;旋转态固有振动频率约比非旋转态固有振动频率提高了1/4至1/3,各阶固有频率计算值随着转速的增加而增加。
因此要准确预测叶片的振动特性,在旋转态下的叶片必须计入转速的影响。
根据叶片的结构条件,由于尾流激振频率与叶片的第五阶和高阶复合固有振动频率相近,故尾流激振形成的强迫振动容易形成共振响应。
由此叶片的第五阶和高阶复合固有振动附近的响应分析说明,所引起的共振位移响应及响应应力均比较大。
通过对叶片振动特性的计算分析结果能够迅速判断叶片断裂故障原因,同时,根据计算结果可以进行有针对性的试验,大大缩短试验时间和费用,对于制定叶片的改进方案,避免类似故障再次发生具有重要意义。
通过本计算方法所得到的结论与测试实验所得到的结论是基本一致的。
因此,本文所用的分析方法及得出的结论易于推广到舰船、机电等应用燃气轮机的重要工业部门的类似结构系统的分析研究中,本课题的研究方法及结论具有广泛的工程意义。
1 .研究背景
1 .Study background
自从燃气涡轮发动机问世以来,在发动机研制初期存在重性能,轻结构强度、耐久性和可靠性的倾向。
直到外场使用不断出现零、组件结构故障,影响使用,给军事上、经济上造成重大损失后,才把结构强度振动研究放到与发动机性能同等重要地位来对待。
长期使用、维护及排故的经验说明现代的航空发动机则必须满足“三性”的要求,即适应性、可靠性和维修性。
这不仅要保证发动机设计中的性能要求,更主要的是要保证发动机在使用中的安全与可靠。
飞机发动机故障特征的研究和检测历来受到学术界和工程界研究人员的重视[2-5]。
由于叶片特别是工作叶片是发动机中的关键零件,对叶片强度、振动、耐久性、可靠性研究越来越显得重要,相应的文献中报导有很多。
叶片是航空发动机中重要零件之一,其所处的工作环境是十分严峻的。
它受有较高的离心负荷,热负荷以及由振动引起的交变负荷及腐蚀、氧化等方面的影响,使叶片容易产生故障,而前几级压气机叶片还受到发动机进气道外来物的冲击,并受风砂,冰雹,鸟撞及海洋气候的腐蚀,这就更使叶片故障大大增多,特别是工作叶片受有离心负荷作用,它比静子叶片的工作条件差得多。
在发动机实际工作中常常发生发动机叶片裂纹和折断故障。
引起叶片故障的原因主要有:(1)低循环疲劳:它由飞行包线和载荷谱决定或颤振引起。
颤振是在气流诱导下产生的一种自激振动现象。
(2)蠕变/应力断裂:它主要存在于涡轮叶片上。
(3)高循环疲劳:它是由振动引起的疲劳。
此外还有表面的氧化和腐蚀及外物撞伤等原因。
它们有时是综合作用的,如高、低周复合疲劳等等。
高循环疲劳可以由叶片的共振或抖振引起。
叶片的共振是指激振力频率和叶片的固有频率相同时引起的振动。
抖振是由随机气动力激振引起,是由于燃烧室工作环境变化所引起的特有的一种振动。
本文仅研究叶片的固有振动及动力响应。
叶片振动时的振型呈多种多样,可大致归纳为如下四种。
如图1.1所示。
因此实际的发动机叶片是变厚度并带有扭向的,故其振型多数是复合型的。
由于对发动机推重比的要求日益提高,叶片应设计得轻些,但叶片因受气动要求及强度的限制,难于减得很轻。
航空涡轮发动机的发展从诞生至今已有半个多世纪的历史,在这期间,发动机的性能获得了极大的提高,其中最关键的性能指标为推重比,从最初的1.1达到目前的10以上。
根据美国国防部预研局的综合高性能涡轮发动机技术(IHPTET)计划,在2020年以前,由于材料、工艺及其它相关技术的迅速发展,航空发动机的推重比可
望达到20,同时耗油率降低40 %。
在目前的基础上使推重比大幅度提高,就必须大量使用新结构、以及由此而产生的新材料、新工艺。
这会使叶片的强度与振动研究跨往一个新的领域。
1)弯曲振型 2)扭转振型 3)弦向和复合振型
图1.1叶片振型图
Fig1.1 Model of Blade Vibration
本文将以某型发动机压气机第二级转子叶片掉角故障为例,利用ANSYS软件计算该型发动机原型及A型叶片在非旋转态及旋转态时的固有振动特性,作Campbell图分析共振及叶片的动力响应;并通过改变叶片材料、温度、转速及叶片的边界条件运用ANSYS 软件分析对叶片固有振动频率的影响。
本文所建立的分析方法、得出的无量纲数据与曲线、有关振型与振动应力分布云图及由此引出的一些结论,在今后类似的研究工作与工程实践中均有一定的应用价值。
2.航空发动机叶片振动研究情况
2.The aviation motor blade vibration studies a circumstance
在国外发动机研制工作中,明确地提出了结构设计准则的要求。
如美国在一九七三年就制定了涡喷、涡扇发动机通用规范MIL-E-5007D,该规范规定了设计准则。
由于先进发动机的不断问世,因而发动机部件设计准则(包括叶片)也在不断完善和更新,英、法等国家也先后制定了新的设计准则。
一方面,由于计算机的快速发展,并应用到航空领域,有限元法分析技术及模态分析试验技术使得叶片强度和振动计算及试验更加方便、快捷而保持足够的准确性。
且由于计算机软件开发工作者根据实际工程计算分析的需要,开发出了许多像ABAQUS、ADINA、ANSYS、ASKA、NASTRAN、SAP、ALGOR等有关有限元计算的软件,并应用于实际计算,使计算快捷、方便而精度提高。
当前由于有限元技术不断改善,一般情况计算分析结果都可作为主要设计依据。
虽然我国计算机软件工业落后于国际先进水平,但是仍有许多学者对叶片的振动特性进行了计算分析,他们主要着重于某一级叶片,利用有限元分析方法进行分析。
如某型发动机的带冠和冷却小孔的涡轮叶片的振动特性分析,分析了小孔、均匀温度场以及非均匀温度场条件下,叶冠边界条件等对振动特性的影响,同时依据共振疲劳损伤寿命理论确定叶冠的最佳间隙值,来增加使用寿命;带宽弦叶片的盘片耦合振动特性研究,建立带宽弦叶片的盘片耦合系统的基本重复扇区的有限元模型,并采用波传播技术对耦合系统进行了振动特性的计算分析,指出了宽弦叶片在振动中表现出的特有振型,以及随转速的变化规律,分析了盘片耦合后的振动特性,以及叶片各阶振动频率随节径数变化的规律。
带冠叶盘的二维子结构循环非线性力学模型的研究,考虑了叶片振动方向与叶冠摩擦面之间的夹角, 是对单自由度子结构循环模型的改进,同时给出了对应于二维子结构循环模型的运动方程并对基于这一模型的系统的响应特性进行了分析,特别研究了叶冠摩擦面角度的影响。
为了研究带冠叶盘系统的动力特性,Griffin和Sinha等人提出了单自由度子结构循环的非线性力学模型,在此模型中仅考虑叶片的一阶弯曲振动,每一叶片用一个质量-弹簧系统来模拟。
还有多位学者用此模型对带冠叶盘系统进行了研究。
传统的叶片振动设计主要是依据叶片共振转速图来分析叶片在动态时可能出现的共振情况。
振动问题较静力问题复杂的多,目前振动可靠性研究还处于初级阶段,上海史进渊提出了零件避开共振的可靠性计算模型,美国Trong T Y将概率故障树法应用于分析和评估航天飞行器叶片的疲劳寿命和振动,而利用干摩擦对叶片进行减振是一种简单而有效的方法。
在叶片缘板下加摩擦阻尼块是一种应用广泛的减振方式, 近二十多年来, 许多研究人员在这一领域做了大量的理论、实验研究, 应用多种非线性分析方法求解带阻尼块叶片的响应特点, 为阻尼块的最优设计提供了一定的理论依据。
总之,由一系列计算分析与试验对照可知,本文的计算结果及所得结论与试验结论基本一致。
通过本计算方法能够迅速判断叶片断裂故障原因,并根据计算结果进行有针对性的试验,可以大大缩短试验时间和费用,本文所建立的分析方法、得出的无量纲数据与曲线、有关振型与振动应力分布云图及由此引出的一些结论,在今后类似的研究工作与工程实践中均有一定的应用价值。