压气机叶片清洗论文（精选5篇）
压气机叶片清洗论文 篇1
摘要：自国内引进首台燃气轮机项目以来, 压气机叶片清洗装置一直采用的是就地、手动控制。介绍了某型燃气轮机压气机叶片清洗装置的改型设计及远程控制的实现。随着用户的需求提高, 要求在线清洗功能实现远程控制。在这种情况下, 对压气机叶片清洗装置以及控制逻辑进行了改型设计, 并应用到在建项目和后续项目中。
关键词：燃气轮机,在线清洗,远程控制,压气机叶片清洗
燃气轮机在正常运行期间, 由于进入压气机的空气不可能完全被入口的进气过滤器过滤干净, 空气中的灰尘、油雾等会在压气机动叶和静叶上形成污垢。这些污垢会降低压气机的效率, 从而降低机组的效率。因此, 需要配置压气机叶片清洗装置及系统对脏污后的压气机叶片进行清洗以便恢复压气机的性能, 增加燃机出力。压气机叶片清洗系统有两种模式的清洗:机组停机时离线清洗和机组运行时在线清洗。
自国内首台燃气-蒸汽联合循环项目以来, 压气机叶片清洗装置采用的是就地、手动控制, 包括离线清洗和在线清洗。随着用户需求的提高, 要求在线清洗功能实现远程控制。因此, 对叶片清洗装置及其控制逻辑进行了改型设计, 并使用到在建项目和后续项目中。
1 叶片清洗系统介绍
1.1 压气机叶片清洗目的
由于进入压气机的空气不可能完全被进气入口的过滤器过滤干净, 空气中的灰尘、油雾等在压气机动叶和静叶上形成污垢。这些污垢会降低压气机的效率, 因此也会降低机组的效率和输出功率。所以, 需要配置叶片清洗装置对压气机叶片进行清洗去除叶片上的污垢, 恢复压气机的性能, 保证燃机的出力。
1.2 压气机叶片清洗系统的运行
压气机叶片清洗系统将水喷入IGV前的进气口, 压气机的运行产生的负压将水吸入压气机。压气机叶片清洗分为在线清洗和离线清洗两种模式。在线清洗是指在燃机带一定负荷的情况下, 对压气机进行喷水清洗。离线清洗是指燃机停机后, 在燃机高盘模式下, 燃机高盘转速下对压气机进行喷水清洗[1]。
压气机叶片清洗系统的操作是在现场通过叶片清洗装置上的PB按钮手动控制的。清洗水要求采用除盐水, 供水压力一般在0.3~0.5 MPa, 主要是满足在雾化喷头处形成雾状而且形状良好的喷水, 保证叶片的清洗效果。同时, 在叶片清洗时, 也可根据脏污情况在除盐水中添加一定比例的清洗剂进行清洗, 已达到更佳的清洗效果[2]。
1.3 压气机叶片清洗系统
在燃机进气室设置有两套管网和雾化喷水喷头分别用于离线清洗和在线清洗。压气机叶片清洗系统包括:叶片清洗水泵、水箱、过滤器、供水管道及阀门、控制柜及仪表、供水雾化喷头、在线和离线供水阀等。
1.4 压气机叶片清洗疏水系统
由于压气机叶片清洗有在线清洗和离线清洗两种模式。在线清洗时是在燃机带一定负荷情况下对压气机叶片进行喷水清洗。此时, 燃机压气机温度较高, 进入燃机中的水会随着空气进入透平排出。然而, 离线清洗是在燃机停机后, 在燃机高盘模式下对压气机叶片进行喷水清洗。此时, 压气机温度较低, 喷入压气机的清洗水就不会完全蒸发随着空气进入透平排出, 这就需要对燃机各个缸体、燃烧器、放气管道等进行疏水。在叶片离线清洗时, 需要打开各个疏水阀门疏水, 清洗完成后恢复。
1.5 压气机叶片清洗的控制
叶片清洗程序是由燃机控制系统 (GTC) 控制的, 包括在线清洗模式和离线清洗模式。燃气轮机对压气机叶片清洗是有限制条件的, 诸如对于机组负荷限制值和进气室温度的限制。对于在线清洗, 燃机负荷维持在一定负荷下, 燃机进气温度不低于5~10℃。对于离线清洗, 燃机维持在高盘转速, 燃机轮盘腔室温度在合适的范围内, 燃机进气温度不低于5~10℃。
2 用户对压气机叶片系统提出新的要求
用户要求所提供的压气机叶片清洗装置 (在线和离线) 对叶片清洗应是有效的, 对压气机效率的恢复是有效的。同时, 对于离线清洗, 所提供的清洁程序只应通过手动起动操作。对于在线清洗, 所提供的清洁程序可以通过远动和手动起动操作。
由于该型燃气轮机常规配置均为就地手动操作设备, 没有配置相应的满足在线清洗远程控制的设备和程序。因此, 为了满足在线清洗远程控制的目的, 必须对部分设备进行自动化改型设计, 对其相应的控制逻辑进行研究并实施修改。
3 压气机叶片清洗装置的改型设计
根据用户对叶片清洗装置实现远程控制的要求, 进行了如下分析。
1) 如果要实现在线远程控制, 首先在线清洗供水阀需要实现自动控制, 阀门需要采用自动控制阀 (电动或气动) 。
2) 叶片清洗水泵需实现自动启停和远程控制。
3) 水箱液位需要实现自动监视并提供补水。
4) 在控制系统中实现远程控制逻辑。
4 系统修改与确认
针对以上分析结果, 笔者对装置和系统逐项进行修改和确认。
1) 在线清洗供水阀需要由原来的手动阀改为电动阀。电动供水阀应能通过就地控制盘控制, 也能通过燃机控制系统远程进行控制。电动供水阀动态响应速度要求阀门从全开到全关时间小于5 s, 从全关到全开时间小于30 s。
2) 叶片清洗水泵直接进入控制系统进行启停或者由设备自动控制, 以实现远程控制功能。
3) 水箱注水阀需要在原来的手动的基础上增加一路电磁阀旁路。
4) 水箱液位计增加液位变送器, 水箱的补水也由装置通过液位判断自动控制。
修改后的叶片清洗装置系统见图1。
5 改型后的清洗装置
1) 清洗水箱。容量:1.60 m3, 工作压力为大气压 (水箱应做灌水试验) 。结构:钢板焊接结构 (材料为SUS304) 。附件:完整一套 (磁翻板液位计, 液位开关以及变送器等) 。
2) 泵。容量:250 L/min (不包括泵系统自身需要的最小循环流量) 。出口压力:0.98 MPa G。工作温度:15℃。工作介质:除盐水。
3) 电动机。型式:全封闭风扇冷却 (TEFC) 。出力, 电压:22 k W, AC380 V, 50 Hz。转速:3000 r/min。
4) 泵箱或水箱入口过滤器。Y型, 40/60目, 不锈钢。
5) 供水阀。在线:电动阀。离线:手动阀。
6 在线清洗远程控制的逻辑实现
在系统修改完成后, 面临的最大问题是如何实现远程控制。因为设备需要进入燃机控制系统控制, 然而燃机控制系统又由燃机技术支持方编制。原本想把叶片清洗泵的控制、供水阀的控制和注水阀的控制全部进入燃机控制系统, 但技术支持方并不愿意修改逻辑。这样以来, 只能通过叶片清洗装置本身实现。因此, 除了在线清洗供水阀的开启和关闭在燃机控制系统中完成外, 其余自动控制和检查以及信号反馈均由装置本身完成。装置本身的自动控制采用PLC控制器方式与燃机控制系统的对接, 实现在线清洗的远程控制。以下是对叶片清洗装置控制器的要求。
叶片清洗装置能就地手动控制完成在线清洗和离线清洗, 也能满足由燃机控制系统远程控制完成在线清洗程序。装置就地控制盘为PLC可编程控制器、接触器、继电器、按钮和指示灯等组成的控制电路。在就地控制盘的PLC控制下可实现对设备内每个电气执行器的就地独立控制。就地控制盘PLC应能实现系统清洗前的所有准备工作的自检, 并向燃机控制系统提供反馈信号以便燃机控制系统能顺利完成在线水洗程序, 在燃机控制系统完成在线水洗程序后, 应能自动停止装置。
通过分析改型后的控制单线图 (见图2) , 对该装置的控制基本描述如下。
1) 燃机控制系统发出“燃机叶片清洗装置在线清洗启动”的指令, 当然, 燃机控制系统会对这个指令附加条件, 比如燃机的负荷范围, 进气温度的范围等。
2) 叶片清洗装置的PLC控制器收到该信号后, 启动改装置, 诸如启动叶片清洗水泵, 检查液位, 如果此时水位不够, PLC控制补水阀补水, 并检测本系统是否异常。当PLC判断系统无异常并启动正常后, 发送给燃机控制系统“准备就绪信号”。
3) 燃机控制系统在收到叶片清洗装置的“准备就绪信号”后, 就开始按照压气机叶片清洗的流程来控制在线清洗供水阀的打开和关闭。另外, 在线清洗过程中, PLC应能自行补水并保证不会出现低水位停泵, 而另一方面, 如果从PLC到燃机控制系统的“准备就绪信号”消失, 燃机控制系统会中断叶片清洗程序。燃机控制系统发出“燃机叶片清洗装置在线清洗启动”信号消失, PLC自动关闭叶片清洗装置。
简单地说就是燃机控制系统通知PLC把叶片清洗装置准备好, 并通过燃机控制系统控制供水阀。通过这种方式, 叶片清洗装置与燃机控制系统之间的配合和协调就简单了, 主要是由叶片清洗装置本身修改控制方式和逻辑来完成。
7 结束语
综上所述, 装置的改型设计及远程控制的实现满足了用户对于在线清洗实现就地和远程控制和的要求。该设计的难点主要是对系统配置的设计和与燃机控制系统之间的配合协调。如果要求技术支持方修改燃机控制逻辑的话, 必然将会增加相应的设计费, 而且会耗费很长时间。最终选择了修改装置本身的控制集成, 改为PLC控制器的方式来实现。即能够自主实现, 又满足用户了远程控制的需求。该压气机叶片装置的改型设计已经完成。
参考文献
[1]焦树建.燃气-蒸汽联合循环[M].北京:机械工业出版社, 2000.
[2]杨顺虎.燃气-蒸汽联合循环发电设备及运行[M].北京:中国电力出版社, 2003.
压气机叶片清洗论文 篇2
电能是人们生活工作中使用的重要能源, 而且, 在经济社会不断发展过程中, 人们对电能的需求量也在不断的提升, 因此, 电力企业在发展过程中要对发电机组的容量进行提升, 同时, 对发电机组的运行状态也要进行很好的掌握。燃气轮机通常是由气压机、燃烧室以及透平等部分组成, 其在运行过程中, 空气经过压气机的入口进入到压气机中, 在经过压缩提高压力以后将其排入燃烧室, 这样在经过混合燃料燃烧以后要进入到透平中, 在这个过程中高温高压燃气能够在其中进行膨胀, 然后将燃气转变为运动的能量, 最后转化为机械功。压气机在运行过程中, 大部分的机械功可以用来推动压气机, 同时, 也能对燃气机的运行进行保证, 这样能够更好的将剩余的机械工进行输出, 推动发电机产生电力。
在燃气轮机压气机中, 叶片是非常重要的零件, 同时, 其对燃气轮机整体功能的发挥和使用安全性有很大的影响。因此, 燃气轮机对叶片的材料、形状、尺寸以及流体动力学都提出了很高的要求, 但是, 因为在使用过程中, 受到使用时间的限制, 其在长期运行过程中一定会产生破损的情况, 在情况比较严重的时候会出现裂纹。文章对叶片长期使用受到的损伤问题进行了分析, 希望在以后的生产过程中能够采取必要的措施对出现的问题进行避免。
1 9E型燃气轮机压气机故障
对电厂9E型燃气轮机压气机的实际运行过程进行分析, 对其轴承运行速度进行监测, 通过监测可知, 其运行速度出现了不断增加的情况, 在经过一段时间的观察以后, 这种增幅情况和设备设定的报警值之间还存在着一定的距离, 因此, 能够推动机组继续进行使用, 但是, 在这个过程中若没有采取必要的措施, 这样就使得在以后可能会出现更大的问题。9E型燃气轮机压气机在运行过程中出现报警信息, 在这种情况下会存在超温运行的问题, 同时, 设备通常能够进行自我保护, 进行自动跳闸, 这样会导致发电机出现短路或者是跳闸的问题。对9E型燃气轮机压气机出现的跳闸情况进行分析, 发现其与正常停机惰走时间一致, 这样能够得出惰走之后就是正常盘车。
为了对9E型燃气轮机压气机出现的故障进行分析, 相关的工作人员对设备的燃烧室进行了检验, 在启动燃烧室的过程中出现了排放管线失败的情况, 同时, 也出现了一些块状金属物在其中的问题, 在检查过程中, 发现是叶片的残片。在对叶片进行检查时, 发现其中出现了比较明显的擦痕, 同时也发现静叶片出现了受损比较严重的情况。对叶片进行检查, 发现叶片出现断裂的位置断口非常明显, 同时, 很多的现象可以用肉眼进行判断, 叶片在长期使用过程中出现了疲劳源较多的情况, 同时, 疲劳裂纹出现的面积比较大, 这样就使得叶片在使用过程中出现了受损非常严重的问题。
2 9E型燃气轮机压气机断叶片进行分析
2.1 燃气轮机压气机叶片损坏原因
燃气轮机压气机叶片损坏原因很多, 其中振动是主要因素。叶片振动损坏一般分为强迫振动损坏和颤动损坏。而不管是强迫振动损坏, 还是颤动损坏, 其都与振动力、频率阵型和振幅有关系。对于气压机来说, 其气流振动力是有周期性的, 但是其只有在激振力频率和叶片频率一致情况下, 叶片才会产生共振。在级内叶片中, 频率是分散的。当振激发生时, 则会产生与同一个级别内一个或者是几个叶片相一致的频率, 强迫振动损坏的产生就是由于这种激振频率过大而产生的。通常情况下, 在一级叶片中, 只有一个或者几个小的叶片会产生较大的强迫振动。但是不会出现相同位置和共同振动的情况, 因此, 一般情况下共振疲劳故障只会在少数的叶片上出现。振幅的能量通常是来自于叶片的激振, 而激振的幅度一般是固定的, 所以叶片的振幅一般会保持一个固定的数值, 不会发生变化, 并且形成恒定的振幅。强迫振动所产生的疲劳特征则主要是由于高度的疲劳而造成叶片受损, 以叶片端口的疲劳狭窄为主要的表现, 在气流振动力的作用下, 不需要脉动则能够形成颤振, 也就是说, 只有在气动条件下, 才能够产生颤振并且对叶片造成损坏。颤振是以振形固有频率基础上进行振动的, 其振动与否与转速倍频无太大联系, 只有在60%-80%速倍频下。才会发生叶片颤振。而颤振的振幅需要在积蓄达到一定程度的情况下, 才能够造成振幅的发散, 并且使振幅应力不断的扩大, 造成叶片疲劳受损。在有些特定的情况下, 同一级的叶片在收到振型、频率会同时发生颤振, 但是叶片的振幅却不是完全一致的。因此这种情况下也可能造成叶片的断裂。
2.2 对9E型燃气轮机压气机故障原因进行分析
从上面叙述中可以看出本次故障源为第17级动叶片, 其性质为振动疲劳断裂。检查中发现17级动叶片断裂断口特征、裂纹源部位相同, 且不同叶片疲劳裂纹扩展也相同, 其叶片断裂口一般应力疲劳断口, 这就说明受力状况基本相同, 其断裂性质也相同。因第17级动叶片中的多数叶片属于同时疲劳断裂, 其断口疲劳源点较多.穿晶裂纹、疲劳扩展区相对粗糙, 使得断裂脱落动叶片根部易产生疲劳裂纹。因此, 9E型燃气轮机压气机在振动疲劳断裂和颤振断裂中, 第17级叶片断裂原因为颤振的可能性较大。
3 结束语
电能的供应对经济社会发展和人们生活都有很大的影响, 因此, 人们在生活和工作中对电能生产的重视程度也在不断的提升, 这样不仅仅是为了更好的保证人们生活质量不会受到影响, 同时也是为了保证社会发展环境不会受到影响。电能生产过程中, 燃气轮机的应用非常重要, 而作为其中的重要部件———压气机对其运行效果起到直接的影响。压气机对燃气轮机的性能参数有很大的影响, 同时, 对其运行安全性也有很大的影响。在压气机中, 叶片是非常重要的组成部分, 其对燃气轮机的运行也有很大的影响, 因此, 为了能够保证电能的正常供应, 对发电机组的运行状态一定要进行保证。在电力企业中, 9E型燃气轮机压气机应用非常普遍, 人们对其使用安全和寿命问题进行了研究, 在长期使用过程中, 燃气机的气压叶片非常容易出现受损严重的情况, 对机组的正常运行会产生很大的影响, 这样也使得电力企业的生产经营受到了很大的影响, 为了能够更好的解决出现的问题, 文章对导致叶片断裂的原因进行了分析, 为更好的找到解决措施提供了依据。
摘要：在燃气机领域中, 9E型燃气轮机压气机是比较先进的一种设备, 其在生产过程中进行应用能够为企业带来一定的经济效益。9E型燃气轮机压气机在使用过程中会出现一些运行问题, 尤其是出现叶片断裂的问题, 这样不仅会导致设备的正常运行受到了很大的影响, 同时, 也会导致企业生产经营问题受到很大的影响。文章对9E型燃气及轮压气机的故障进行了分析同时, 对其出现的叶片断裂问题也进行分析, 希望在以后的生产经营过程中能够采取必要的措施对其进行相应的处理。
关键词：9E型,燃气轮机压气机,叶片,断裂
参考文献
[1]王旭, 潘宏伟, 周业忠, 等.某燃气轮机压气机叶尖间隙的分析[J].振动工程学报, 2004, 17 (1) .
压气机叶片清洗论文 篇3
航空发动机及其压气机的性能增长要求引导着可调叶片技术的发展方向。为了缓解压气机在低速小流量区域的叶栅失速, 改善压气机的性能及工作范围, 当前可调叶片技术也出现了一些新的变化特征, 越来越多的压气机需要同时对多级静子叶片进行调节以满足性能参数要求。多级可调静子叶片由作动筒驱动联动环实现调节, 多级联调要求一套操纵机构同时驱动多级联动环, 且各级静子的变化符合一定规律, 联调操纵机构的基础一般多为四连杆机构, 由机架、连杆、摇臂组成。本文介绍的三排可调叶片角度控制系统, 是为某型小档功率燃气轮机高压压气机试验件三排叶片随转速变化而设计的, 系统通过完成静叶角度随着试验的换算转速变化的跟随控制, 实现压气机在不同相对转速下的叶片角度自动调节功能。
1 系统组成、工作原理及功能
1.1 系统组成
系统采用液压控制三对液压作动筒, 包括:液压站、电液伺服阀、伺服放大器、液压作动筒、位移传感器、转速变换器, 其中, 液压作动筒在压气机上自带, 转速变换器试验台上已具备。
由于系统控制程序是依附于硬件实现的, 这里仅作简要介绍。
计算机测控系统:硬件集连框图见图1。
1块ADAM-4017———8通道16位A/D模块。1块ADAM-4024———4通道12位D/A模块。1块ADAM-4520———RS232 to RS485模块。3块FX-221A位移变送器。3只FX23/±40mm位移传感器。
液压系统工艺图见图2。
1.2 工作原理
程序通过RS232口和ADAM模块通信, 完成3个位移传感器当前位置、物理转速、进口温度、控制状态的采集, 控制3个液压伺服阀输出。压气机设计研究室提供压气机相应换算转速与叶片角度间对应关系。安装位移传感器并调试时, 确定换算转速与叶片角度及叶片角度与作动筒位移之间的关系。控制系统将作动筒位移作为反馈, 根据采集的物理转速和进口温度计算出相对换算转速, 取得位移值, 采用插值和模糊计算混合控制方案控制作动筒位移动作, 间接实现三排叶片角度控制。
1.3 功能
通过系统配置菜单完成对应输入输出通道、模糊整定参数、叶片角与液压作动筒位移与转速关系曲线、变送器校准曲线等的设定输入。
控制系统的工作状态有三种, 分别是: (1) 手动。通过操作台上的“手/自动控制”开关确认, 程序采集这个开关状态。在手控状态程序只做采集显示, 控制由操作台上的电位器完成。在自动控制状态时, 控制任务交给程序完成, 程序有两种工作方式:机控手动和机控自动, 两者可实现无扰动切换。 (2) 机控手动。可以通过程序界面上的仪表控制。 (3) 机控自动。程序自动控制。自控采用换算转速, 物理转速和换算转速用下式计算:
式中:Nc-换算转速;N-物理转速;T0-进口温度 (℃)
换算转速与叶片角度的关系采用线性插值, 得出的叶片角度作为控制设定值。为了达到快速反应, 采用机控手动方式取得叶片角度与模拟输出的关系, 事先配置到参数表中, 快控时直接用关系曲线插值得到的输出值控制动作, 然后用模糊控制方法逼近。如果选择慢控方式, 直接用模糊控制方法逼近。
2 工程实际应用
某小档功率燃气轮机高压压气机试验件五排静叶角度可调, 其中进口导叶和一级静子各自单独调节, 二、三、四级静子按一定匹配关系联动调节, 换言之, 试验需要同时调节三组静叶角度。该压气机试验件上面自带的液压作动筒和安装的位移传感器以及布置方式, 见图4所示。
在该压气机试验件调试及性能录取试验过程中, 三排静叶角度调节所对应不同的相对换算转速~角度关系及位移传感器相对位移~角度对应关系见图5。
整个试验周期该控制器响应速度快, 动态控制品质好, 运行速度快、安全可靠。该三排可调叶片角度控制系统的的应用, 有效地提高了压气机试验多级叶片角度转速跟踪调调节能力, 控制过程不仅提高了静叶调节的控制精度, 而且且其各项性能指标均满足设计要求。
3 结束语
该控制系统软件参数调整方便, 不仅能适应现阶段所有有高低压压气机试验件三排以内可调静叶角度调节试验, 而而且可解决因执行机构和角位移传感器安装方式差异而出出现的超调现象。该控制器在压气机可调叶片角度调节试验验中的成功应用为叶片调节数字控制技术的使用和推广奠奠定了良好的基础。在该控制系统实际使用中, 控制的好坏坏、准确度很大程度取决于使用维护和曲线标定上, 设计室室给定的是转速和角度的关系, 往往由于角度刻度盘过小致致使角度分辨率较差, 且有机械间隙。而控制是靠位移变送送器信号反馈的, 位移和角度的测量是通过目测定位存在误误差。试验前准备的越充分, 参数配置的越精细, 控制的越越好。
摘要：本文简要介绍了某三排可调叶片角度控制系统构成、工作原理及在工程中的实际应用。该系统适应性强, 其成功应用提高了压气机试验多级叶片角度转速跟踪调节能力, 也为叶片调节数字控制技术的使用和推广奠定了基础。
关键词：压气机,可调静叶,控制,性能试验
参考文献
[1]张健, 任铭林.静叶角度调节对压气机性能影响的试验研究[J].航空动力学报, 2000, 15 (1) :27.
[2]夏联, 崔健, 顾扬.可调静叶对压气机低速性能影响的试验研究[J].燃气涡轮试验与研究, 2005, 18 (1) :31-32.
[3]熊劲松, 侯安平, 袁巍等.可调叶片的发展趋势及其气动问题的探讨[J].航空动力学报, 2008, 23 (1) :27.
[4]孙晓军.某型燃气轮机可调导叶转角液压伺服比例控制系统设计[J].航空发动机, 2009, 35 (2) :10-11.
压气机叶片清洗论文 篇4
选取某民用航空发动机高压压气机第三级转子叶片为分析对象, 在模态分析基本理论的基础上, 于有限元软件ANSYS Workbench中建立起叶片的有限元模型, 计算分析了该叶片在静止情况下、常用转速工况下固有频率和振型, 得到叶片共振图, 为后续结构分析及振动排故提供依据。
1 模态分析的基本理论
现以分析叶片的固有模态为主, 忽略阻尼的作用, 故属于无阻尼自由振动系统的分析研究, 其动力学问题的有限元法基本方程为[1]
式 (1) 中, M为系统质量矩阵;K为系统刚度矩阵u为位移向量。
设系统各部位的振动为频率、相位均相同的简谐振动, 即
将式 (2) 带入式 (1) 中可得
由于式 (3) 在任何时间均成立, 故去掉含时间项:
式 (4) 中, φi为i阶特征向量, 模态形状因子;ωi为第i阶固有频率。
式 (4) 中, φi有非零解的条件是
求出ωi, 进而可以得出振动特征向量φi。
当高压压气机高速旋转时, 叶片受离心力的影响, 会产生微分刚度阵S, 此时系统的刚度阵变为
所以系统的动频计算式为
2 叶片的有限元模态分析
2.1 三维有限元建模
现选择在ANSYS Workbench 13.0中进行仿真分析, 其仿真流程具有良好的可定制性, 只需通过鼠标拖曳操作, 即可非常容易地创建复杂的、包含多个物理场的耦合分析流程, 在各物理场之间所需的数据传输也能自动定义好[2], 符合叶片在离心力场中振动模态分析的需要。
软件中叶片有限元建模分两步进行:首先根据几何参数建立实体模型。其中, 叶片叶身长50 mm;叶根平台长30 mm, 宽23 mm, 厚2.5mm;榫头深7 mm, 榫头底面长16 mm, 宽7.3 mm;榫头底面距离旋转中心220 mm。然后建立三维有限元模型。取叶片材料为Ti-8Al-1Mo-1V[3], 材料常数[4]见表1所示;划分单元时, 叶身和榫头采用3D六面体单元、叶根平台采用3D四面体单元划分, 单元尺寸均取为1 mm;另外, 考虑到叶片在常用工作转速下离心力大, 造成叶片榫头与轮盘榫槽相接触的面上存在很大压力, 故在叶片榫头与榫槽的接触面上施加固定约束的边界条件, 以简化分析模型。由此建立起的叶片有限元模型如图1所示。
2.2 固有频率计算结果
首先, 计算叶片静止时的固有频率;然后, 计算发动机在滑行、进场、慢车、爬升、起飞五个工作状态[5], 高压压气机旋转时, 离心力场中叶片的固有频率。一般情况, 频率越高, 振幅越小, 危险性也就越小[6]。因此本文只计算了前5阶固有频率, 结果如表2所示。
表2中的Δ定义为
式 (8) 中, fd表示起飞状态下叶片的各阶“动频”;f0表示叶片的各阶“静频”。
由表2发现, 随着高压压气机转速增加, 叶片的固有频率逐渐增加。这是由于叶片旋转时的离心力使式 (6) 中的Ks大于K, 相当于增加了叶片的刚性, 最终造成“动频”大于“静频”。另外, 在起飞状态下, 叶片的一阶“动频”相对一阶“静频”增加15.2%, 叶片的三阶“动频”相对三阶“静频”增加3.55%;其他各阶“动频”相对“静频”增加均不到1%, 主要是因为离心力对叶片扭转和复杂振型的固有频率影响较小。
2.3 固有振型计算结果
表2所示该叶片的振型中包含了弯曲, 扭转, 以及弯扭复合振动。图2~图6列出了该叶片的各阶固有振型;通过分析发现, 离心力对于叶片振型没有太大影响。
3 叶片的共振特性分析
由于气流对叶片表面周期性的压强变化, 激起叶片振动, 称为气动激振[6,7]。其中最重要的是障碍物尾流激振。发动机中该级转子叶片前后各有84、72片整流环静子叶片, 所以发动机在工作时, 可能会存在由第二、第三级整流环静子叶片形成的尾流激振力, 其倍频可用式 (9) 计算[6,7]:
式 (9) 中, n为压气机转速;Z为该转子叶片前后的静叶数目, 即Z=84, 72。取S=1, 2, 结合表2中的计算结果, 画出叶片共振图 (Campbell图) , 如图7所示。可以看出, 在慢车、爬升、起飞工作状态下, 第二、三级静叶尾流不会引起叶片共振;另外在滑行、进场工作状态下, 转速低, 叶片离心力小, 模型的边界条件将发生变化, 叶片榫头与轮盘榫槽之间存在明显阻尼, 可以抑制叶片的振动。
4 总结
对某民用航空发动机高压压气机第三级转子叶片的固有模态及共振特性作了数值分析, 文中涉及的基本理论和有限元分析方法均是成熟、可信的。得到了此级转子叶片在常用转速工况下的固有频率和振型, 并画出了该叶片的共振图。利用共振图可以找出共振时叶片的频率、振型和激振力频率, 为后续结构分析和排故提供依据。
摘要：选取某民用航空发动机高压压气机第三级转子叶片为分析对象, 在介绍模态分析基本理论的基础上, 于有限元软件ANSYS Workbench中建立起叶片的三维有限元模型, 并对叶片的固有模态及共振特性进行了数值分析, 得到该叶片在静止情况下、常用转速工况下的固有频率和振型。最后分析了该级叶片前后的整流环静叶在气流通道中形成的尾流激振力, 对该级转子叶片的影响, 画出叶片共振图。利用共振图可以找出共振时, 叶片的频率、振型和激振力频率, 为后续结构分析和排故提供依据。
关键词：高压压气机,转子叶片,模态分析,共振图,有限元分析
参考文献
[1] 傅志方, 华宏星.模态分析理论及应用.上海:上海交通大学出版社, 2001:22—68
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[6] 吕文林.航空发动机强度计算.北京:国防工业出版社, 1988:58 —99
压气机叶片清洗论文 篇5
自20世纪50年代燃气轮机逐渐登上发电工业的舞台, 因其建设周期短、启动速度快、运行自动化程度高、对环境污染小及无需外电源启动等特点越来越受到人们的关注, 但由于其受制造工艺及材料限制, 使得燃气轮机发展及应用仍比较有限, 不过从安全和调峰的要求出发, 在电网中安装相当比例的燃气轮机发电机组依旧是十分有必要的[2]。
燃气轮机主要由压气机、燃烧和涡轮三大部件以及燃油系统、滑油系统、空气系统、电器系统及轴承纯利系统等组成, 作为主要部件之一的压气机是燃气轮机的关键部件之一, 其安全可靠的运行直接关系到燃气轮机的整体经济性、可靠性与安全性。而燃气轮机压气机叶片是一种特殊的零部件, 它数量多、形状复杂、要求高、加工难度大, 是故障多发的零部件, 压气机叶片的失效不但给燃气轮机发电企业造成了经济损失, 也对电网的安全运行造成了一定的影响。因此, 最大限度地规避或减少压气机叶片的失效是十分迫切的, 也是十分必要的。
1 影响压气机叶片安全运行的设计因素及预防措施
影响压气机叶片安全运行的因素与环节十分多, 从设计、制造、运输、安装、运行到检修等各个环节都能产生影响其安全运行的因素, 具体如下。
1.1 材质选择
压气机叶片既需要足够的强度, 也需要足够的韧性, 在选择制造叶片材料时, 若材料选择不当就会导致压气机叶片在运行中无法满足实际工况条件而导致失效, 而选择过于优良的材料又会增加制造成本。因此, 设计中对材料的选择既要满足安全运行工况, 又要考虑制造与维护的经济性。
1.2 振动性能选择
合理选型, 使压气机叶片具有良好的振动特性, 运行中需要叶片的固有频率避开kn共振、zn共振及颤振的范围, 否则就可能使叶片在运行中因高周疲劳或低周疲劳而产生开裂或断裂事故。这就需要在设计及选材、选型条件下对叶片进行频率测试, 检验其固有频率以规避共振的产生。
1.3 流量系数分配的选择
在低转速运行下, 不稳定工况产生的主要原因是低压级流量系数Φ的减小和正冲角的增大, 随着流量系数Φ值得减小, 气流正冲角的增大, 气流会在叶型背弧处出现脱离现象, 再进一步出现旋转脱离之后, 低压级就会逐渐趋近于喘振工况。当达到某个极限值Φmin时, 低压级中就会产生强烈的气流脱离现象, 以致进入到喘振工况。因而, 在设计时就应该把压气机前几级的流量系数选得大一些, 做功量取得小些, 这样就能保证压气机前几级不容易进入喘振工况。而此时高压级中的流量系数Φ会增大, 负冲角也增大, 气流在叶型内弧处出现脱离现象。因而, 在设计时应该把压气机后几级的流量系数选得小一些, 其加功量也应该选得小些, 并增加中间各级的加功量, 以提高全台压气机的效率。
1.4 叶片的选择
叶片选型直接关系到压气机工作效率及运行稳定性。压气机叶片失效有相当一些是因为叶片根部设计过薄造成叶片整体不成比例, 或叶片偏角设计不当导致叶片在实际运行中叶片承受过大的扭转力和切应力导致接近或超出叶片强度上限而致使叶片在实际运行中提前失效, 同时如果叶型选择不当还会导致叶片背部产生严重的气流分离, 直接导致其效率的恶化。因此, 对于已有成熟技术的叶片设计主要是要加强图纸的审核与校验防止数据错误导致设计出现问题, 对于新的叶形设计或因特殊需要改造的叶形设计应加强实验与技术论证, 防止不成熟技术的草率应用。而且对不同地域与环境实际情况应考虑到设计因素中去, 以利于提高叶片的使用效率和寿命。
2 影响压气机叶片安全运行的制造因素及预防措施
压气机工作叶片的型面是用高能高速热挤压成型后经抛光而成, 整流叶片是由冷轧成型经抛光而成。压气机叶片属于冷端部件的零件, 除最后几级由于高压下与气体的摩擦产生熵增而使温度升高到300℃以上外, 其余的温度不高, 进口处在高空还需要注意防止结冰。压气机叶片使用的材料一般为铝合金、钛合金、铁基不锈钢等材料。
2.1 原材料的选择
制造叶片时若采用的原材料不符合要求, 如采用原材料的杂质超标、组织严重偏析、疏松超标、叶片破面晶粒度超标及存在有垂直于叶片进排气边的柱状晶等, 就会影响到叶片整体强度、韧性、抗疲劳性能及频率等性能, 继而会影响到叶片的使用性能及寿命。因此在采购加工叶片原材料时要严格采购具有生产能力和资质的制造厂生产的材料, 并且严把验收与抽检质量关以最大限度地避免用不合格材料加工叶片。
2.2 制造工艺
叶片在制造过程中存在诸多影响叶片安全使用的因素, 主要为原材料表面缺陷未完全去除、叶片渗层成型及厚度不合理、叶片表明粗糙度超标、叶片进排气边圆加工半径偏离设计规范、进气攻角偏离设计值、叶片高度与重量超出设计值、加工应力过大造成加工后叶片产生变形、叶片安装角偏离设计值过大、尺寸测量方法不正确造成测量误差、加工部位形状没有保证直线度和平面度等。这些在加工过程中造成的缺陷或误差会直接影响到叶片的安装与使用性能, 为压气机的稳定运行埋下了隐患。为了避免这些隐患的产生, 制造厂应严格把控制造质量关, 加大抽检比例。使用单位应委派本单位有经验的技术人员或委托有资质的第三方机构进行驻厂监造, 现场跟踪整体制造与检验流程, 发现问题及时解决, 将生产质量关口前移。
3 影响压气机叶片安全运行的储运与安装因素及预防措施
3.1 储运流程
制造完成的压气机叶片在储运流程中应注意避免与腐蚀介质的接触, 避免受到外力碰撞或挤压, 以减少产生应力集中点或疲劳腐蚀源点及破坏渗层, 可以有效地延长叶片的使用寿命。
3.2 安装
压气机叶片在安装过程中应由有资质的安装单位进行安装, 安装过程应注意避免强装或野蛮搬运, 防止破坏叶片渗层及造成叶片机械损伤。
4 影响压气机叶片安全运行的运行因素及预防措施
1) 压气机叶片在机组起停过程中在从静止到高速转动和从高速转动到静止过程中都会使多数叶片穿越共振频率带, 在共振频率带滞留的时间越长对压气机叶片的损伤越严重, 因此应合理调整起停速率, 尽可能减少叶片在共振频率带停滞的时间;
2) 机组燃料中腐蚀性产物及烟气颗粒是影响压气机的叶片使用寿命及缺陷产生的重要影响因素, 当腐蚀性介质对叶片表明造成腐蚀坑及烟气颗粒对叶片表明造成磨损后, 就是造成局部应力集中点, 在运行工况下所受的叶片残余应力、激振力和交变热应力作用下, 易产生局部开裂而导致叶片过早失效。因此应加强对燃料的检验及烟气成分监控, 严格控制燃料的腐蚀性产物及烟气颗粒数量, 尽可能减少因烟气中腐蚀性介质及颗粒对叶片造成的损伤;
3) 压气机叶片设计、选型、选材等是基于燃气轮机的整体运行工况、燃料、运行温度等等因素来选定的, 其最终给定的运行工况是该设计条件下最稳定的运行条件, 超过或低于其要求的运行工况范围都会对压气机叶片的实际使用寿命造成不利影响, 故在实际运行中应避免压气机的超工况要求运行;
4) 由于燃气轮机的特殊性, 目前使用单位的检修周期及部件检验检查方法多参照制造厂给定的规范及指导性说明, 国内目前尚无统一的标准可参照。目前应严格参照制造厂检验检修规范进行, 尽量避免或减少超期检验, 在检验过程中发现问题及时处理或更换, 不得使用带缺陷或安全隐患的设备运行。
5 结束语
在压气机实际设计、制造、运输、储存、安装、使用及检修等各个环节中影响压气机叶片整体使用寿命的因素很多, 有些叶片的失效是单一因素造成的, 有些则是几种因素综合叠加造成的, 只有把控好各个环节, 加强监督与检验才能最大限度地提高压气机叶片的安全性及使用寿命。
参考文献
[1]刘振亚.特高压交直流电网[M].北京:中国电力出版社, 2013.