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燃气轮机常见故障及分析方法
一、燃气轮机的常见故障类型
燃气轮机运行时常会出现一些典型故障,其类型主要有:转子叶片与机匣碰
摩故障、油膜振荡、转轴出现裂纹以及裂纹碰摩耦合故障等。
二、典型故障的动力学分析
2.1转子叶片与机匣碰摩故障分析
燃气轮机中,为了提高燃机的效率,转子叶片和机匣之间的间隙往往很小。
转子轴承故障和转子叶片掉块等引起的转子振动增大都有可能引起动静件之间
的碰摩。转子在涡动时与静止件发生接触摩擦的瞬间,转子刚度增大;转子被静
止件反弹后脱离接触,转子刚度减小,并且发生横向自由振动(大多数按一阶自
振频率振动)。因此,转子在与静止件接触与非接触过程中,其刚度在变化,变
化的频率就是转子涡动频率。转子横向自由振动与强迫的旋转运动、涡动运动叠
加在一起,就会产生一些特有的、复杂的振动响应频率。
2.2油膜震荡动力学特性及故障特征
为考察连续转子轴承系统的动力学特性有两种研究方法即:有限元法和简单
离散方法。对同一个非线性转子轴承系统,有限元方法和简单离散方法所求得的
非线性动力学行为是截然不同的,由于忽略了质量和惯最矩分布以及其他一些转
子本身非线性因素的影响.采用简单离散的方法求解连续转子轴承系统的非线性
动力学行为会带来很大的偏差,因此采用有限元法建立转子连续统模型方法对转
子一轴承系统的非线性动力学行为进行求解是非常必要的,其分析结果更具实际
指导意义。
从转子发生油膜振荡后的轴心轨迹看,油膜振荡发生后,轮盘处的轴心轨迹,
有时会出现梅花形,这可作为判断转子系统是否发生油膜振荡的一个充分条件。
通过分析,可以对油膜振荡的振动特征总结如下:
1.转子受载情况不一样,振动随转速的变化也一定的差别。有的在转速较低时
就出现油膜涡动,当转速增至一定值时发生油膜振荡;有的在二倍临界转速前不
出现油膜涡动,当转速增至二倍临界转速或二倍临界转速以上时出现突发性油膜
振荡;
2.油膜振荡发生后,转子的涡动频率锁定在一阶临界转速附近,不随转子转速
的变化而变化。
3.油膜振荡具有典型的“惯性效应”,即转子发生油膜振荡后,如果降低转速,
油膜振荡并不马上消失,而是在低于二倍临界转速的某个转速上才消失。
4.油膜振荡发生时,转子的涡动方向与转子转动方向一致。
5.油膜振荡发生时,转子的轴心轨迹一般呈梅花形,有时也会较为混乱。
6.转子的油膜振荡为具有迟滞效应的Hopf分叉。
2.3裂纹转子动力学特性的有限元分析
一般来说,转子横向裂纹的出现,会直接削弱转子的总体刚度。此外,对于
“呼吸”裂纹转子而言,裂纹还会随转子的回转出现周期性的开闭效应。当裂纹
转至轴截面的拉伸区时,裂纹张开,截面刚度削弱;当裂纹进入轴截面的压应力
区时,裂纹闭合,轴截面刚度恢复原值。因此,开闭裂纹的存在使得转子的瞬时
刚度随时间呈周期性变化,从而引起转子系统的参数激振。
可利用等参梁有限元法.通过对积分点上弹性矩阵的修正,模拟裂纹对转子
刚度的影响;采用裂纹模型中的裂纹开闭函数,来模拟裂纹开闭效应。
梁元、应考虑弯曲,即各节点除具有平移自由度外还应有转动自由度。采用
自然坐标的插值函数构造等参梁元。图2—12为空间等参梁元的示意图。
对图2-1中的转子,假设在转子轮盘根部转轴处,存在一横向裂纹,裂纹深
度为1/3转子直径,转子偏心为e=0.006。采用上述的等参梁有限元的方法,对
转子的动力学响应进行了求解。首先考虑两端铰支的情况,其不同转速下的响应
如图2-15,图2-16所示。考虑两端油膜轴承支撑下的转子动力学响应如图2-17
所示。
通过分析表明,采用上述方法,可以方便、有效地模拟转子中的横向裂纹,
不仅可以模拟裂纹的尺寸形状、而且可以模拟裂纹在转子的轴向位置,能有效反
映出裂纹转子的一些动力学特征。可以看出,带有横向裂纹的转子,振动带有非
线性性质,会出现旋转频率的2X、3X等高倍分量。轴心轨迹一般为椭圆或内“8”
字。
2.4裂纹与碰摩复合故障动力学特性分析
裂纹与碰摩复合故障的有限元模拟,主要采裂纹模拟和碰摩模拟相结合的方
法,具体方法是2.3节中的裂纹有限元模型中,在轮盘节点处施加碰摩力。其中
裂纹深度为转子直径的1/3,转子偏心为e=O.006.碰摩刚度k=1.55e+07N/m.摩
擦系数u=O.16。图2-23,图2-24和图2-25分别给出了带横向裂纹转子发生轻微碰
摩、中度碰摩和严重碰磨情况下的动力学响应。
从以上的分析结果可以看出,当裂纹与碰摩故障同时存在时,转子的动力学
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