曹祖善, 于爾亮, 張士國

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級和第16/21級均使用169 mm動葉片,此動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支動葉片鉚接成為一組。機(jī)組在實際運(yùn)行一段時間后,發(fā)現(xiàn)工作在第16/21級的169 mm動葉片較頻繁地出現(xiàn)斷裂事故,而工作在第14級的動葉片卻鮮有葉片斷裂事故發(fā)生。對此,通過對比第14級和第16/21級動葉片的流場、靜應(yīng)力場、安全倍率,結(jié)合葉片固有頻率,分析第16/21級動葉片較頻繁發(fā)生斷裂的原因,并制訂相應(yīng)的改進(jìn)措施。

2 動葉片氣動計算與分析

169 mm動葉片設(shè)計工況和強(qiáng)度工況下的熱力參數(shù)見表1。

表1 169 mm動葉片熱力參數(shù)

葉片的強(qiáng)度設(shè)計一般以強(qiáng)度工況為校核點。值得注意的是,第14級169 mm動葉片強(qiáng)度工況和設(shè)計工況的級前蒸汽參數(shù)為過熱蒸汽,而第16/21級169 mm動葉片強(qiáng)度工況和設(shè)計工況的級前蒸汽參數(shù)處于過渡區(qū)。參考文獻(xiàn)[1],分別對169 mm動葉片工作在第14級和第16/21級時設(shè)計工況和強(qiáng)度工況的流場進(jìn)行計算,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動葉片攻角隨葉高變化規(guī)律

圖2 169 mm動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對比可見,相對于第14級169 mm動葉片,第16/21級169 mm動葉片的攻角在設(shè)計工況和強(qiáng)度工況下均偏大。在大攻角下,蒸汽在流動中容易產(chǎn)生脫流,進(jìn)而產(chǎn)生較大的汽流激振力。第14級169 mm動葉片入口蒸汽參數(shù)在設(shè)計工況和強(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169 mm動葉片入口蒸汽處于過渡區(qū)。

3 動葉片靜強(qiáng)度分析

參考文獻(xiàn)[2],計算得169 mm動葉片工作在第14級和第16/21級時,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169 mm動葉片合成應(yīng)力隨葉高變化規(guī)律

圖4 第16/21級169 mm動葉片合成應(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,以出汽邊為校核對象。169 mm動葉片材料為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169 mm動葉片最大靜應(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169 mm動葉片靜應(yīng)力值滿足強(qiáng)度設(shè)計要求。

表2 第14級169 mm動葉片最大靜應(yīng)力

工作在第16/21級的169 mm動葉片,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169 mm動葉片最大靜應(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169 mm動葉片靜應(yīng)力值滿足強(qiáng)度設(shè)計要求。

表3 第16/21級169 mm動葉片最大靜應(yīng)力

4 動葉片安全倍率計算

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

(1)

第14級和第16/21級169 mm動葉片的安全倍率計算結(jié)果見表4。

表4 169 mm動葉片安全倍率計算結(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 動葉片頻率計算

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

表6 169 mm動葉片組頻率計算結(jié)果

169 mm動葉片組一階振型如圖5所示。

圖5 169 mm動葉片組一階振型

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

169 mm動葉片作為不調(diào)頻葉片使用時,激振頻率為7時對應(yīng)的安全倍率為4.4。安全倍率計算結(jié)果顯示,第14級169 mm動葉片在強(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169 mm動葉片強(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 動葉片斷裂原因分析

通過對169 mm動葉片在第14級和第16/21級的氣動、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169 mm動葉片的攻角與第14級169 mm動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動葉片的靜強(qiáng)度合格;

(3) 169 mm動葉片極有可能存在共振,此時激振倍率為7;

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

7 改進(jìn)措施

第16/21級169 mm動葉片的斷裂原因是共振和安全倍率偏低,因此對動葉片進(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。對動葉片進(jìn)行加強(qiáng),一般需要加強(qiáng)動葉片型線,這需要對動葉片的流場、強(qiáng)度、振動進(jìn)行重新計算和設(shè)計,成本較高。通過改變動葉片結(jié)構(gòu)進(jìn)而改變固有頻率,避開共振點,是較為簡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動葉片如圖6所示。通過改變結(jié)構(gòu),使169 mm動葉片形成整圈,并改變自振頻率。增加松拉筋還能增大葉片之間的阻尼,減小葉片動應(yīng)力。

圖6 結(jié)構(gòu)改進(jìn)后169 mm動葉片

對結(jié)構(gòu)改進(jìn)后整圈動葉片的振動特性進(jìn)行計算[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動葉片振動特性

圖7 結(jié)構(gòu)改進(jìn)后整圈169 mm動葉片3 000 r/min時一階振型

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

Fdm=Kn=mn

(2)

式中:Fdm為節(jié)徑數(shù)為m時的葉片動頻;m為全周連結(jié)葉片結(jié)構(gòu)振動節(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的三重點共振。結(jié)構(gòu)改進(jìn)后169 mm動葉片坎貝爾圖如圖8所示。由圖8可見,在規(guī)定范圍內(nèi)并無激振倍率小于等于8 的三重點共振,因此結(jié)構(gòu)改進(jìn)后整圈169 mm動葉片的動頻合格。

圖8 結(jié)構(gòu)改進(jìn)后169 mm動葉片坎貝爾圖

8 結(jié)束語

通過對100 MW高壓汽輪機(jī)組第14級和第16/21級169 mm動葉片流場、靜應(yīng)力場、安全倍率、固有頻率進(jìn)行計算分析,推斷第16/21級169 mm動葉片的斷裂原因為安全倍率較低,沒有達(dá)到不調(diào)頻葉片安全倍率界限值的要求,動應(yīng)力較大而產(chǎn)生疲勞斷裂。同時,169 mm動葉片攻角偏大,造成蒸汽在流動中易形成脫流,產(chǎn)生較大的汽流激振力,加之入口蒸汽處于過渡區(qū),對169 mm動葉片斷裂起加速作用。將169 mm動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動葉片動頻滿足葉輪葉片系統(tǒng)三重點共振的調(diào)頻準(zhǔn)則。首臺安裝結(jié)構(gòu)改進(jìn)后169 mm動葉片的高壓汽輪機(jī)組從2008年運(yùn)行至今,未發(fā)生任何169 mm動葉片斷裂事故,確認(rèn)改進(jìn)措施有效。