離心壓縮機(jī)葉輪斷裂事故分析

0葉輪可靠性分析離心壓縮機(jī)作為重要的石油、化工、冶金等工業(yè)部門的重要設(shè)備，在許多經(jīng)濟(jì)和社會(huì)活動(dòng)中發(fā)揮著重要作用。這是中國大型制造行業(yè)中最重要的產(chǎn)品之一。從離心壓縮機(jī)的整個(gè)發(fā)展歷史來看,大型化、高速化、高壓比是重要發(fā)展趨勢,這就帶來了機(jī)組設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)行壽命等一系列問題。葉輪是離心壓縮機(jī)中的最關(guān)鍵旋轉(zhuǎn)部件,其可靠性指標(biāo)直接決定了整個(gè)離心壓縮機(jī)機(jī)組能否安全、穩(wěn)定、長周期地運(yùn)轉(zhuǎn)。隨著離心壓縮機(jī)各種設(shè)計(jì)參數(shù)的不斷提高,葉輪的運(yùn)轉(zhuǎn)條件和自身的靜動(dòng)力特性也變得更為復(fù)雜,例如壓縮機(jī)進(jìn)口導(dǎo)葉與葉輪相干非定常作用就非常強(qiáng)烈,而且作用機(jī)理也很復(fù)雜,解決不好,不僅能夠引起氣動(dòng)性能惡化,而且更嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引起葉片共振,導(dǎo)致葉輪葉片疲勞破壞的嚴(yán)重事故。本文針對某大型離心壓縮機(jī)的葉輪葉片斷裂事故,探討了離心壓縮機(jī)葉輪葉片固有頻率對葉輪強(qiáng)度的影響。1導(dǎo)葉尾流激振力頻率的確定某離心壓縮機(jī)首級(jí)葉輪由電機(jī)驅(qū)動(dòng),其直徑d2為1179mm,葉片數(shù)z為19,工作轉(zhuǎn)速n為5556r/min,材料為FV520B-1,進(jìn)口導(dǎo)葉數(shù)z0為12。該離心壓縮機(jī)機(jī)組在投產(chǎn)累計(jì)運(yùn)行時(shí)間4個(gè)月后發(fā)生葉片斷裂事故,事故葉輪如圖1所示。從圖1中可以看出,該離心壓縮機(jī)葉輪靠近進(jìn)口處發(fā)生斷裂,發(fā)生斷裂的葉片由于離心力飛出葉輪后,卡在葉輪出口使得葉輪出口與機(jī)殼發(fā)生劇烈摩擦。對于該葉輪葉片進(jìn)口,其受到的力主要來自上游進(jìn)口導(dǎo)葉產(chǎn)生的尾跡。由于葉輪相對進(jìn)口導(dǎo)葉在旋轉(zhuǎn),從而使得進(jìn)口導(dǎo)葉產(chǎn)生的尾流對葉輪的激振具有周期性。該激勵(lì)用傅里葉級(jí)數(shù)對其進(jìn)行展開,可分解成為一系列不同階次的諧振力。對于包含Z個(gè)均勻分布葉片的進(jìn)口導(dǎo)葉,葉片每轉(zhuǎn)一周,會(huì)受到間隔相等、形狀相同的Z個(gè)尾跡激振,進(jìn)口導(dǎo)葉的尾流激振力的頻率f可以表示為:其中,n為葉輪轉(zhuǎn)速,Z為諧振力階次,指葉輪轉(zhuǎn)一圈時(shí)每個(gè)葉片受到均勻間隔的激振力激勵(lì)次數(shù),而這個(gè)特定頻率的激振力只能激發(fā)特定階次的模態(tài)。一般來說,我們通常取激振力頻率的0.95和1.05倍分別作為激振力頻率的上下限。此時(shí)進(jìn)口導(dǎo)葉的尾流激振力的頻率的上下限分別為1055.64Hz和1166.76Hz。設(shè)模態(tài)具有node根節(jié)徑,則在葉輪的環(huán)向一圈該模態(tài)的相位共變化2π×node,由于一圈內(nèi)共有葉片N個(gè),則對于該模態(tài)來說,葉片間的相位差為2π×node/N;激振力的階數(shù)為Z,意味著在葉輪轉(zhuǎn)一圈時(shí),激振力的相位變化了2π×Z,每個(gè)葉片間受到激振力的相位差為2π×Z/N。激振力的空間分布要和模態(tài)的空間分布一致,就得到2π×k±2π×node/N=2π×Z/N,由此推出,Z=N×k±node。其中,節(jié)徑數(shù)n≤N/2。這一關(guān)系非常重要,因?yàn)槿绻缹?dǎo)葉片數(shù)Z,葉片數(shù)N,就可找到從空間分布能激起振動(dòng)的模態(tài)特征。本文分析首級(jí)葉輪有19個(gè)葉片,12個(gè)導(dǎo)葉片,則節(jié)徑數(shù)為7的模態(tài)將可能被激發(fā)。對優(yōu)化前的葉輪進(jìn)行考慮工作轉(zhuǎn)速預(yù)應(yīng)力的固有頻率分析。改進(jìn)前葉輪的有限元模型如圖2所示。由于進(jìn)口導(dǎo)葉的尾流激振力的頻率范圍為1055.64~1166.76Hz,因而我們只列出固有頻率的前5階。節(jié)徑數(shù)為7的固有頻率結(jié)果如表1所示。同時(shí)取固有頻率的0.9和1.1倍分別作為固有頻率的影響范圍的上下限,分別稱為上限頻率和下限頻率。從表1可知,進(jìn)口導(dǎo)葉的尾流激振力的頻率范圍(1055.64~1166.76Hz)落入到葉輪節(jié)徑數(shù)為7的第4階固有頻率的上下限(1045.26~1277.54Hz)范圍內(nèi),因而會(huì)產(chǎn)生共振。故應(yīng)對葉輪進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。2葉輪固有頻率的優(yōu)化通過以上分析,可知該葉輪葉片斷裂主要是因?yàn)槿~輪在進(jìn)口導(dǎo)葉的尾流激振力作用下產(chǎn)生了共振。為了避開共振,對葉片進(jìn)行了局部結(jié)構(gòu)調(diào)整和優(yōu)化。一方面是增大葉片進(jìn)口與進(jìn)口導(dǎo)葉之間的距離,以減小進(jìn)口導(dǎo)葉的尾流激振力的大小,采用的措施為葉片進(jìn)口處沿軸向切除14.4m。另一方面增加葉片的厚度,以避開進(jìn)口導(dǎo)葉的尾流激振力頻率。圖3顯示了葉輪切削的具體形式。改進(jìn)后的葉輪前5階固有頻率如表2所示。從表2可知,此時(shí)激勵(lì)頻率(1111.2~1166.76Hz)避開了固有頻率的上下限(1166.31~1425.49Hz)。故葉輪固有頻率優(yōu)化成功。進(jìn)行葉輪優(yōu)化不僅要滿足避開固有頻率的要求,還要同時(shí)滿足葉輪強(qiáng)度及氣動(dòng)性能。下面對葉輪強(qiáng)度及氣動(dòng)性能進(jìn)行校核。3葉片重量和動(dòng)力性能的研究3.1葉輪等效應(yīng)力表3列出了工作轉(zhuǎn)速下葉輪優(yōu)化前后的等效應(yīng)力,圖4和圖5分別為云圖形式顯示的優(yōu)化前后葉輪等效應(yīng)力分布。分析結(jié)果表明,優(yōu)化后的葉輪強(qiáng)度設(shè)計(jì)合理,安全裕量較大。3.2葉輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化的驗(yàn)證氣動(dòng)性能分析主要關(guān)注切削前后葉輪的效率、壓比和氣動(dòng)功率的變化。經(jīng)過CFD數(shù)值分析,得到如表4所示的結(jié)果,從表4可以看出,葉輪修改后相比原始葉輪,多變效率降低約0.5%,總壓比降低約0.3%,氣動(dòng)功率增大約5kW。CFD的計(jì)算表明將原始葉輪葉片前緣平行切削14.4mm后,其氣動(dòng)性能與原始葉輪差別不大,在工程允許范圍內(nèi)。分析結(jié)果表明,結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的葉輪在氣動(dòng)性能基本保持不變,工作轉(zhuǎn)速下等效應(yīng)力有所降低,固有頻率特性更優(yōu)。故葉輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化成功。根據(jù)優(yōu)化結(jié)果重新加工了葉輪,現(xiàn)場運(yùn)行情況良好。4葉輪疲勞破壞根據(jù)上述案例分析,可知離心壓縮機(jī)進(jìn)口導(dǎo)葉與葉輪相干非定常作用