叶片失效（精选三篇）
叶片失效 篇1
就具体叶片的损伤检查, 损伤主要为进气边缘及排气边缘上有直径0.5-1mm的缺口, 缺口端面较为光滑, 无明显的裂缝及继续扩展的现象。
1 压气机转子叶片的失效及受力对叶片的影响
在燃气涡轮发动机中, 压气机和涡轮是两个极其关键的部件。它们的性能和状态不仅决定整个发动机的性能水平, 而且直接关系发动机的使用可靠性和使用寿命。压气机以及涡轮的结构主要由机匣、转子叶片和静子叶片三大部分构成, 机匣和静子叶片属于静止部件, 受力简单, 故障率低。转子叶片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, 因而一直是燃气涡轮机使用中故障率最高的部件之一, 在航空发动机的故障统计中, 叶片故障可占总数的40%以上。而且, 转子叶片的损坏对整机性能影响很大, 可能导致严重的事故。压气机转子叶片属于高速旋转状态下工作的零件, 在工作时将承受自身离心拉应力及离心弯矩、气动应力及气动弯矩、热应力和振动交变应力等几类力的作用。其中叶片自身在旋转时产生的离心力, 是转子叶片工作时承受的最大、最主要的应力;弯曲应力是气流冲击叶片时产生的, 一般还伴随有扭转应力。离心力和气动力较大, 是叶片受力的主要组成部分。压气机转子叶片的工作温度低, 厚度薄, 温差小, 由此引起的热应力一般很小, 可不考虑。需要考虑的振动应力主要是共振、喘振和颤振等引起的, 因为这种振动应为往往频率高, 虽然数值不一定很大, 但叠加后常可导致叶片的疲劳断裂, 这在实践中已多次发生。
2 造成叶片失效的可能因素
(1) 气流冲刷和外来物撞击:
压气机转子叶片位于发动机的前端, 直接承受由进气道引入的高速气流的冲刷, 我站也发生过入口过滤器的滤网碎片脱落进入进气机匣, 破坏其结构表面完整性, 甚至造成严重变形或形成疲劳源, 造成断裂。
(2) 大气腐蚀:
转子叶片一直暴露于大气环境中, 从而经受大气环境的腐蚀作用。工作时, 气流中的腐蚀介质高速冲刷叶片表面, 在表面造成冲蚀损伤;停放时, 腐蚀性的大气环境也可能对其表面造成腐蚀损伤。
(3) 温度作用:
由于空气在压气机内被压缩, 其温度将会升高, 从而使得压气机的后几级的温度明显升高, 达到350度以上。
(4) 振动:
工作中, 压气机转子叶片都要经受特定转速下的强迫振动或自激振动引起的共振、喘振和颤振, 从而使叶片承受振动交变载荷的作用。
结合以上几点分析, 我们再来研究目前造成RR机组压气机高压级损伤的原因, 由于RR机组作为一种成熟机组, 防喘等预防措施比较到位, 发生喘振等的可能性较小, 我们从叶片的损伤情况上分析, 最有可能的还是上面分析的第一点原因, 即外来物打伤。
3 预防措施的探讨
(1) 对于这类外物打伤我们第一要做的就是对燃机进气通道进行彻底清理, 避免外来的固体颗粒进入气流通道内对压气机内部件的打伤。
(2) 我们认为可以从燃机本身设计方面着手, 由于目前我们这种情况并非个例, 而是普遍存在的, 因此我们建议可以改变机组在压气机高压级部分的设计, 提高燃机对这类外物的抗打伤能力。
第一, 在满足压气机压比、温度等性能参数的情况下, 改变叶片叶型, 在高压级静子叶片通道内尽可能的将气体的动能转化为气体的内能, 使气体具有更高的压力, 而气体流速降低, 这样外物对压气机内部件的杀伤力也会随之降低。
第二, 目前高压压气机转子叶片一般都采用的是钛合金叶片, 该类材质叶片具有质量轻、硬度大等特点, 但是同样在高温情况下, 钛合金叶片表面也会变脆, 强度会变低, 在压气机高压级部分气体温度都可以达到200～300度, 因此在这方面在可能的前提下, 建议改变动叶的材质, 提升叶片的强度, 进一步提高叶片抗外物打伤的能力。
以上仅是我们对目前机组存在问题的一些直观认识, 所提出的原因分析以及改进措施也都缺乏足够的理论依据, 错误之处再所难免。在这里提出这个问题希望可以抛砖引玉, 引起大家的重视, 对该问题有一个较为妥善的处理办法。
摘要：主要结合国内天然气管道输气行业所采用的国外先进设备, 在日常的工作运行维护中出现的一些问题, 燃气发生器的高压压气机部分叶片损伤较多, 对出现这种现象的原因进行分析并对可能的改进措施进行讨论。
关键词：RB211-24,压气机,叶片失效
参考文献
高炉离心鼓风机叶片失效原因探究 篇2
关键词：高炉风机,叶片,失效,原因探究
略钢现有高炉二座, 炉容分别420m3/425m3, 2007年设计的高炉离心式鼓风机D2000-3.14/0.92各高炉一台。由于施工与生产同时进行, 基础施工与安装都存在有技术偏差, 加之高炉冶炼强化的要求, 当机组全负荷运行, 且风机机组排气温度达到220℃, 远远超标。机组震动仍在许可范围内运行, 期间常发生风机转子报废及磨损, 转子磨损返厂维修, 给正常生产带来一定的影响。
针对炼铁在线运行风机事故分析, 并检查了转子叶片, 发现叶片高压侧磨损严重, 但经涂层渗透检查完好、无明显缺陷存在的情况下, 对机组的气道设计、气风设计及管道结构进行了认真的分析, 除风机本体结构设计与制造存在质量缺陷外, 初步认为机组运行环境及工况条件是造成事故的主要原因。
1 根据风机的特点在400m3级以上高炉上用离心式高炉鼓风机是可行的。
目前常用的风机为离心风机和轴流风机。离心式是将流体从风扇的轴向吸入后利用离心力将流体从圆周方向甩出去, 气流方向切于叶片旋转方向, 改变了风管内介质的流向。比如鼓风机。压头大、流量小。轴流风机的特点是流体沿着扇叶的轴向流过, 气流方向垂直与叶片的旋转方向, 不改变风管内介质的流向, 流量大、压头小。在400m3及高炉上用离心式高炉鼓风机是可行的。
高炉风机能将部分大气汇集起来, 通过加压来提高空气压力, 从而形成具有一定压力与流量的高炉鼓风, 然后根据高炉的炉况需要进行风压、风量和调节, 并将其输送到高炉的一种动力机械。从能量观点来说, 高炉风机的作用原理是将原动机的能量转变为气体能量。高炉风机设备主要是为冶炼高炉提供必要和足够的含氧空气, 是高炉冶铁生产的重要组成部分。由于高炉冶炼要求有较高的连续性, 因此风机要均匀地为高炉供给定量空气, 此外还应保持一定的风压, 来克服送风系统及料柱带来的阻力, 且使高炉保持相对稳定的炉顶压力。另外在冶炼过程中, 因为原料、燃料以及操作等条件的变化, 造成炉况的不断改变, 因此要针对性地要求供风参数随之变化, 这就要求高炉风机具有对应的稳定调节范围以及有效的安全控制系统。
在冶铁过程中, 高炉风机叶片的断裂掉落会对生产和设备带来很大的破坏。因此保证风机叶片的完整性极为重要。根据实际经验, 风机的完整性和稳定性要靠每年进行定期的维护和检修来实现, 在运行中叶片发生断裂时通常很难及时发现, 有时叶片断裂没有马上引发进一步的破坏, 风机会继续运行一段时间后, 叶片再次发生断裂。
2 风机叶片工况日常监测及诊断
2.1 高炉风机事故的监测
通常情况下, 在实际生产中根据产业标准ISO7919-3的指标振动峰-峰值对运行机器的状态进行检测。对于高炉风机来说, 它有特定的振动频率, 而不是所有点的峰-峰值都会发生明显的变化, 因此仅仅凭借振动峰-峰值的总量来对高炉风机的运行状态进行监测是不科学的。一旦峰-峰值发生阶跃性的变化, 要马上分析一倍频的相位和幅值, 如果发现有明显的变化, 即几个监测点的一倍振动频率发生的阶跃变化超过了30%, 就要立即停机进行检查。而有时只有一片叶片断裂掉落的话, 振动峰-峰值的总量往往达不到标准的报警值。因此设备检修人员要对风机的在线运行状态进行频繁的监测以及必要的故障诊断, 这对于保障高炉生产的安全性是十分必要的。定期记录和更新高炉风机正常运行状况的各项数据信息, 作为事故发生的重要判断依据。另外要注意的是, 在对高炉风机进行在线监测时, 要以2秒的频率进行连续地监测。
2.2 高炉风机叶片断裂事故诊断
当监测到高炉风机发生强烈地振动, 监测仪器显示振动值急剧升高, 就要立即联系高炉进行停机准备, 使风机的振动值下降并稳定下来。等到系统冷却后, 对风机进行拆解检修, 检查风机的平衡性以及是否发生零部件松动和脱落等现象, 然后检查风机的进出风管道, 如果发现管道里存在不规则的金属颗粒物, 则可初步判定属于风机叶片断裂。在对高炉风机进行拆盖检查时, 要观察风机的受损程度。首先从受损风机叶片开始检查每一级叶片的受损状况, 叶片的根部是否受损和裂开, 叶片的位置是否移动, 进风口边缘是否粗糙、有污垢、外形是否完整等。细心观察每一级叶片的受损状况以及具体表现, 判断叶片完好度, 是否能够继续使用, 是否需要更换等, 以便于采取进一步地检修措施。
3 风机叶片断裂事故的修复和处理
3.1 制定科学合理的修复方案
根据叶片检修结果, 对每一部分的受损情况进行评估, 对于无法继续使用的叶片进行更换, 还要考虑新叶片的生产周期, 在新叶片生产并投入使用的时间里, 高炉处于没有备用风机状态下进行运转, 如果正在运行的风机发生事故, 就会影响整个高炉生产线的正常运行, 带来更大的损失。因此要根据实际情况合理制定检修方案, 在最短时间内回复高炉风机的正常运行。通常的做法是对断裂的叶片进行快速抢救和修复。针对不同级叶片的损伤情况, 按程度不同进行排序, 记录每一级受损叶片的尺寸与形状, 一步一步进行修复, 采取不同的切割方法, 整体切割或者局部切割, 使叶片的长短保持一致, 病载切割处进行打磨和修复, 保证每一级叶片相互对称, 且修复表面平整光滑。
3.2 严格按步骤进行修复操作
对于转子部分, 要先对该部分的叶片进行清洗, 对转子上的所有叶片着色探伤。没有损坏的叶片不需要进行处理, 部分损坏的进行圆滑打磨和修复, 大面积损坏的将损坏部位切除, 并精加工和打磨抛光。叶片处理完后, 要在额定转速下进行动平衡试验, 检测转子的修复状况。将有裂纹的叶片进行熔融修复, 经过处理后在进行回装。
3.3 机组回装
a.组件清理:对内缸、轴承以及轴颈和密封、转子的动静叶片等进行仔细地清洗, 然后将对轴承和轴颈表面涂上润滑油, 将轴承箱用合好的面团进行擦拭干净。b.调整好各部件之间的位置, 将下机壳立键防松紧固, 严格按标准来调整左右的间隙。c.加固高炉风机叶片, 采用专用的力矩扳手紧锢螺栓, 调节内缸和导向环, 加装防松钢丝进行固定。对外缸螺栓施力, 严格控制接面缝隙。
3.4 修复后性能调试
在断裂叶片修复后, 要进行性能调试, 将高炉机组启动, 保持正常的转速、风压, 控制进出口风量, 观察风机运转时的状况。如果试车中风机出口的振动幅度过大, 风机无法稳定, 就要进行稳定处理消除振动现象。首先要观察测量并找到振动发生点, 校对在实际运转中的振动情况, 便于为设定防喘振线以及放风线提供真实可靠的依据, 根据特定测量点的情况, 制定出风机正常工作的范围。然后对高炉生产的负荷能力进行测试, 根据高炉生产的实际需求, 将风机的排气压力、风量、功率等维持在一定数额, 记录在正常生产下风机的符合能力。
4 略钢高炉8#风机D2000风机性能改造与效果
现以略钢8#风机为例, 于2010年8月对8#D2000-3.14/0.92风机进行了改造, 在风机在机组润滑冷却系统、控制系统、主机、电动机、给送风系统等整体的维持原设计与配置不变。原有风机基本参数 (附表) :
4.1 8#风机对机组变速器比做适当的调整, 使风机性能提高, 同时改造风机支推轴承, 保障改造后风机回油温度在规定范围内。调整高速轴半联轴器。改造变速器, 提高风机转速至通流适应, 强度允许的范围, 基本解决性能要求, 配套提供齿轮对半联轴器, 提供新支推轴承, 满足性能提高后轴瓦温度升至规范范围。调整小齿轮端半联轴器轴向尺寸, 半联轴器缩短0.3mm。
8#风机改造后风机性能参数
(2) 当前常用的风机设备在一定程度上存在着设计以及工艺上的缺陷问题, 因为叶片断裂发生产事故, 导致企业遭受经济损失, 因此利用现有的科学技术进行高炉风机事故的预防, 能够在很大程度上避免不必要的损失。因此, 科学检修并找出风机事故发生的原因和机制是很有必要的。在对风机进行技术性修复的同时, 对高炉设备进行了一系列定期有效的检查、测试、维修以及改造, 从而有效地消除生产中的安全隐患, 为高炉机组的安全稳定运行提供重要保证。
略钢D2000风机的技术改造取得了相当的成功, 为高炉强化冶炼提供了强有力的物质技术条件支持。通过叶片失效技术分析和机组本体技术改造实践, 专业技术人员的理论实践得到了高度自信。
5 结束语
高炉风机是高炉冶铁生产的重要组成部分, 风机叶片断裂会给高炉生产带来很大的危害和损失。当前, 设备诊断技术在全世界范围内的各个领域有着非常广泛地应用, 近年来在我国也得到了快速的发展, 并由此形成了一门新兴科学。在未来的建设中丰富高效的设备检修技术能够发挥出极为重要的作用。在实际运行中, 保障高炉风机的正常运行, 充分运用诊断技术, 及时监测并发现叶片断裂现象, 排除一系列潜在的隐患, 针对故障进行科学的处理和修复措施, 保障企业的安全生产和综合效益。
参考文献
[1]王二明.浅谈高炉风机的故障与诊断[J].工业设计, 2011 (04) .
[2]王昭霞.高炉风机叶片失效恢复性大修[J].冶金设备, 2011 (01) .
[3]田俊.高炉风机经济运行探讨[J].冶金动力, 2013 (03) .
叶片失效 篇3
关键词：混流式水轮机,转轮叶片,失效
1 研究背景
作为水力发电的动力源, 水能是一种清洁的可再生资源。我国水能资源丰富, 蕴藏量居世界第一, 约为6.7×105MW。其中, 技术可开发资源约为1.9×1013k W·h, 经济可开发资源约为1.3×1013k W·h。全球主要国家水能资源可开发情况, 如图1所示。2008年至今, 我国的水电开发力度逐渐加强, 发电量呈显著增长趋势, 如图2所示。未来5年, 我国的能源战略发展规划中, 水电装机容量将进一步提高, 至2020年, 拟将装机规模提高至30×105MW, 约占全国各类发电总量 (风电、火电、核电) 的26%左右。由此可见, 发展水电工程, 在快速推进国民经济发展的同时, 还能够减少因火力发电所造成的大气污染问题。
在水力发电的能量转换过程中, 水轮机是完成该环节的核心设备。可见, 机组的运行稳定性, 是决定水电站经济效益的关键。常用的水轮机类型包括混流式、贯流式、斜流式以及轴流式四大类。其中, 混流式水轮机的应用最为广泛。据文献的统计结果显示, 目前我国的大中型水电站合计134个, 水轮机的总数为479台, 采用混流式机组的电站数目为92个, 总数为318台。该数据表明, 我国水能资源分布的特点比较适合混流式水轮机的开发。而决定混流式水轮机性能的关键部件, 就是转轮。
研究表明, 混流式水轮机在运行中出现的问题, 多是由转轮的水力特性引起。因此, 研究混流式水轮机转轮的运行稳定性, 对于延长机组的使用寿命、减少机组的故障发生率、提高电站的经济效益, 具有举足轻重的意义。
2 国内外研究现状
针对如何减轻转轮裂纹产生的程度问题, 国内外均做了不少研究。以目前而言, 大多数都会在流固耦合的假设前提下进行研究分析。流固耦合原理, 是指转轮在水流的作用下运行时, 叶片结构发生振动或是弹性变形等情况, 对水流产生一个反作用, 从而影响水流的流态, 以致出现水流和叶片结构相互作用、相互影响的复杂状态。在数值计算中, 考虑到该因素, 能够使机组的运行条件和实际趋于一致, 提高计算精度。
2.1 国外研究现状
目前, 国外对流体机械裂纹的研究主要是从应力数值计算、振动特性分析以及是否考虑流固耦合因素等方面展开。
2010年, 英国南安普顿威赛克斯研究中心的R.A.Saeed与A.N.Galybin等人利用CFD分析技术, 计算出了大尺寸转轮叶片在各工况下的应力分布情况, 以此判别叶片是否会产生裂纹。2013年, 加拿大赫氏能源公司的ChadVan derWoude和SriramNarasimhan在不考虑风力机叶片的部分质量影响条件下, 开发了非线性隔振系统。2014年, 马来西亚马拉工业大学MohammadAzzeimMatJusoh、Muhamad FauziOthman等开发了小型混流式水轮机应力试验系统, 并测试出了模型转轮叶片的应力分布。2015年, 美国犹他大学DanGerszewski、LadislavKavan以及Peter‐PikeSloan等提出了基于混合分析模型的流固耦合简化算法, 在减少数值计算工作量的同时, 也达到了相当高的计算精度。
2.2 国内研究现状
我国关于流体机械裂纹的研究, 尚处于迅速发展的阶段, 也取得了不少成果。2010年, 昆明理工大学杨圣辉利用滑移网格技术, 分别完成了水轮机在静止和额定工况下的非定常流固耦合计算。2013年, 中国农业大学副教授肖若福、朱文若利用FCBI-C算法, 模拟出了双向流固耦合的转轮振动特性。同年, 哈尔滨大电机研究所高级工程师庞立军、吕桂萍等在基于叶栅干扰激振的假设前提下, 计算出了高水头机组的振动特性, 并针对性地提出了减轻转轮裂纹的措施。2014年, 浙江大学方兵教授在转轮流固耦合数值计算的研究中, 分别对单向和双向流固耦合算法进行结果精度比较, 得出了偏差较小的计算方法。同年, 水力发电设备国家重点实验室李永恒分析了离心力载荷影响下, 转轮的疲劳强度性能。2015年, 河海大学阚阚、郑源以及赵连辉等人, 在考虑SSTk-w近壁区域模型条件下, 应用顺序耦合法分析出了转轮叶片容易发生裂纹的区域和机组运行条件。同年, 电子科技大学王旭、胡洪等人采用模态分析法, 在振动性能分析中, 计算出了偏差率较小的机组固有频率。华中科技大学孙琦、孙建平等人通过数值计算和试验手段, 计算出了转轮叶片正背面的压力分布情况, 并获得了裂纹易发区的范围。
从目前的国内外研究现状来看, 在转轮振动性能分析上, 在网格的划分、边界条件的设定以及计算方法的选择等方面, 均取得了较大的进展, 仿真结果也都基本满足要求。然而, 不足之处在于, 大多数的研究是将转轮作为单一的对象来进行, 其余过流部件 (如蜗壳、导水机构等) 对它的影响并未考虑在内。如此一来, 在条件设置中便无法与实际情况精确匹配, 一定程度上来说会影响最终的计算精度。
3 研究意义
通过对国内各电站的调研发现, 许多混流式机组在检修时, 最常出现的失效形式是转轮叶片裂纹, 如图3、图4所示, 且大部分的裂纹表现出一定的规律性, 即裂纹主要出现在转轮叶片的出水边附近区域。究其原因, 主要在于叶片在旋转运动中, 作用在上面的应力是交变的。这些交变应力的来源主要是叶片自身的振动、卡门漩涡以及流道内的压力脉动。当设计不合理 (如翼型进水边较为厚大时) 或转轮运行在自振频率与卡门漩涡频率附近的工况下使, 都会产生裂纹。如此一来, 转轮叶片的型线会发生变化, 导致转轮的内部流态恶化, 继而导致叶片的抗汽蚀性降低、疲劳损坏程度加剧, 影响机组的发电效率。基于转轮叶片产生裂纹的原因, 研究转轮叶片的振动特性, 针对叶片在各种条件下的振动频率进行计算。可以计算出叶片在不同介质中的各阶模态, 由此判断出机组在何种频率下进行工作可以有效避免发生共振现象, 从而预防叶片发生疲劳断裂, 保证机组安全稳定运行。
因此, 对水轮机组进行转轮叶片失效分析研究, 可以减少机组的故障发生率、提高发电效率和运行寿命, 具有良好的工程实用价值。
参考文献
[1]张维.对水轮机的研究报告[M].成都:西南交大出版社, 2009.
[2]庞立军, 吕桂萍, 刘晶石, 等.高水头水泵水轮机转轮的抗振防裂纹设计[J].机械工程学报, 2013, 49 (4) :140-147.
[3]曹云忠, 郑少华, 杨川.水轮机转轮叶片断裂原因分析[J].水力发电学报, 2013, 6 (32) :278-282.