（机械设计及理论专业论文）ylii—8000f型烟气轮机故障分析及预防措施.pdf

东北欠学硕士学位论文 摘要 y l i i 一8 0 0 0 f 型烟气轮机故障分析及预防措施 摘要 y l i i 一8 0 0 0 f 型烟气轮机是一种典型的旋转机械，是中国石化总公司锦西炼化总 厂重油催化裂化装置的核心设备之一，它将催化裂化再生烟气中所蕴含的热能与 压力能膨胀做功转变为机械能，所发出的功率用于驱动轴流式压缩机( 主风机) ， 它在重油催化裂化生产过程中占有重要地位。1 9 9 9 年1 0 月1 8 日2 ：0 0 到4 ：0 0 运转 时y l i i 一8 0 0 0 f 型烟气轮机突然发生机组转子与静子( 机壳) 刮擦事故( “1 0 1 8 ” 事故) ，导致转子的两级叶片大部分碎裂和转子轴承及静子等部件不同程度的破 坏失效，并造成整个生产工序长时间停车，由此引起的直接、间接经济损失十分 巨大。 由于旋转机械故障诊断技术已经十分成熟，本文将其应用于对y l i i 一8 0 0 0 f 型 烟气轮机的这次重大生产事故原因分析中，研究内容包括以下几点： i 、对y l i i 一8 0 0 0 f 型烟气轮机结构进行适当简化，并应用a n s y s 软件进行了 模态计算。 2 、对旋转机械的故障来源进行了比较全面的概括，并在此基础上对y l i i 8 0 0 0 f 型烟气轮机的可能故障来源进行全面分析。 3 、对旋转机械的振动特征进行综述，并结合有限元计算结果分析y l i i 一8 0 0 0 f 型烟气轮机主要振动特征，确认是否存在振动超标诱发故障的可能。 4 、在参考相关文献的基础上，对旋转机械的几种典型故障进行深入分析，给 出了故障发生的机理以及故障特征，为对y l i i 8 0 0 0 f 型烟气轮机的“1 0 1 8 ”事故 进行故障诊断提供依据。 5 、结合y l i i 8 0 0 0 f 型烟气轮机自身特点及故障发生时刻相关数据记录与故障 发生后y l i i 8 0 0 0 f 型烟气轮机有关部位破坏状况，对y l i i 8 0 0 0 f 型烟气轮机 “l o 1 8 ”事故进行赦障分析，对故障进行适当处理，并简单分析故障处理效果。 关键词旋转机械，烟气轮机，故障诊断，故障机理 东北大学硕士学位论文摘要 t h ef a u l ta n a l y s i sa n d p r e v e n t i v e m e a s u r e so f t h e y l i i 一8 0 0 0 fs t a c k g a st u r b i n e a b s t r a c t y l l l 8 0 0 0 fs t a c k g a st u r b i n ei sak i n do ft y p i c a lr o t a t i n gm a c h i n e r y ，i ti st h ek e y e q u i p m e n to ft h eh e a v yo i lc a t a l y t i cc r a c k e ro fs i n o p e cj i n x io i lr e f i n e r y i t c a n c h a n g et h e r m a le n e r g yo f t h es t a c k - g a si n t om e c h a n i c a le n e r g y ，t h ee n e r g yt h e nb eu s e d t od r i v et h ea x i a l f l o wc o m p r e s s o r a t2 ：0 0 4 ：0 0o n1 9 9 9 1 0 1 8 ，t h er o t o ro f t h es t a c k g a st u r b i n es u d d e n l ys c r a p e dh a r d w i t ht h ec a s i n g ( ”1 0 - 1 8 ”a c c i d e n t ) ，a n dt h e nl e dt ot h eb r e a ko f t h et w og r a d ei m p e l l e r s ， g r e a td a m a g e w a sm a d e ，t h et o s so f t h ea c c i d e n tw a sv e r yl a r g e s i n c et h et e c h n o l o g yo f r o t a r ym e c h a n i c a li ss od e v e l o p e d ，i ti su s e dt oa n a l y z et h e y li i - 8 0 0 0 fs t a c k - g a st u r b i n ea c c i d e n t ，t h ei t e m so f t h i st h e s i si n c l u d e s ： 1 b u i l tt h em o d e lo ft h ey li i - 8 0 0 0 fs t a c k - g a st u r b i n ea n da n a l y z e dt h em o d e so f i tw i t ha n s y ss o f t w a r e 2d e t a i l d i s c u s s i n go f b r e a k d o w nr e a s o n sa n dy li i 一8 0 0 0 fs t a c k g a st u r b i n eo n t h eb a s eo f t h ef o r m e ra n a l y s i s 3 d i s c u s s i n gt h ev i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i co fr o t a t i n gm a c h i n e f fa n dt h a to fy l i i 一8 0 0 0 fc o m b i n e dw i mt h eo u t c o m eo fm o d e la n a l y s i s i no r d e rt om a k es u r ei fi t i sp o s s i b l et h a tt h ef a u l tw a sc a u s e db y h i 曲v i b r a t i o n 4 ，s o m et y p i c a lf a u l t sw e r ed i s c u s s e di nd e t a i lo nt h eb a s eo fs o m er e f e r e n c e s ，s o t h a tw ec a nd i s c u s st h er e a s o no f ”1 0 1 8 ”a c c i d e n t 5 d i a g n o s i so f t h ey l l i - 8 0 0 0 fs t a c k g a st u r b i n e ，a n ds i m p l ea n a l y s i so f t h ey l i i 8 0 0 0 fs t a c k g a st u r b i n em nc o n d i t i o na f t e rt h ef a u l ti sr e m o v e d k e y w o r d sr o t a t i n gm a c h i n e w ，s t a c k - g a st u r b i n e ，f a u l td i a g n o s i s ，f a u l tm e c h a n i s m i i i - 声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包括本人获得其他学位而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所作的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 锻 、 ) ( e l 期：0 ki 东北犬学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论1 帚一早瑁了匕 1 1 故障诊断技术及旋转机械故障诊断的发展 工业工程各部门中，机械设备大约占总资产的6 0 7 0 ，而这些设备中，大 都存在两个方面的问题，一是设备的性能并不差，甚至比较优良，但由于可靠性 和维修性差而导致设备的综合效能较低；二是由于可靠性和维修性不佳导致维修 费用大幅增长，有的已经增加到设备投资费用的三到四成【1 1 2 0 1 。此外，由于现代工 业设备大型化，生产连续化，高度自动化和高度经济化的特点，一旦生产过程发 生故障，哪怕是一个零件或组件，也会迫使生产中断，整个生产线停止运行，带 来巨大的经济损失，甚至还会引起恶性事故的发生，因而，对设备运行状态进行 监测并对非正常运行状态进行诊断，以期为管理维护人员对设备维修维护提供必 要且有益的帮助或对可能发生的故障提出预报以便尽早采取必要的措施，避免重 大损失就显得尤为重要。这正是故障诊断技术的初衷。 所谓故障诊断是指当设备系统的构造处于不正常状态( 劣化状态) ，从而导致 系统相应的功能失常，并造成系统相应的行为不满足期望的要求( 系统的这种劣 化状态称为故障状态) 时，通过必要的检测手段查明导致系统发生故障的部位及 原因【5 “。通常情况下，故障诊断分为状态监测、故障分析和治理预防三个阶段。 采用故障诊断技术可以提高设备管理水平、保证产品质量，提高设备的可靠性与 维修性，避免重大事故的发生或减少事故危害性，从而获得潜在的巨大经济效益 和社会效益 2 1 1 4 1 。例如中石化系统的辽阳石油化纤公司1 9 8 6 年正式建立总厂和分 厂两级状态监测站及合理的故障诊断制度以来，仅减少停车维修时间一项就为公 司节约维修费用大约2 7 4 0 万元，并且将离心机等关键设备的运行周期提高了4 5 倍，此外还诊断出裂解压缩机透平叶片销钉断裂，避免了一次重大恶性事故的发 生【4 1 。 在机械设备中大部分核心设备都是旋转机械，它覆盖电力、动力、化工、冶金 机械制造等许多重要领域，并且旋转机械转速一般都很高。此外，发电机、汽轮 机、鼓风机、大型冷轧钢机等旋转机械设备往往是工厂的关键设备，其工况状态 东北大学硕士学位论文第一章绪论 的恶化不仅影响该机械设备本身的运行，而且还会对后续生产造成损失，甚至导 致重大事故。例如，1 9 7 2 年日本关西海南电厂一台6 0 0 m w 汽轮发电机组在试车 时振动过大，造成飞车事故，机组全部损坏；1 9 6 9 年美国克来特克恩西屋公司生 产的7 8 0 m w 机组标准末级( 2 3 级) 叶片全部断裂，维修人员不得不对其进行全 部更新；1 9 7 0 年美国莫哈夫电厂通用电器公司3 0 0 m w 机组励磁机处大轴突然断 裂，导致整个机组破坏；9 0 年代初，台湾原子能三厂通用电器公司生产的9 0 0 m w 机组末级叶片全部断裂，引起一场火灾，损失惨重。1 9 8 7 年我国山西大同发电厂 2 0 0 m w 发电机组转子和1 9 8 8 年我国秦岭电厂5 号2 0 0 m w 机组由于运行失稳导致 机组剧振，造成轴系断裂，零件飞出毁坏厂房的恶性事故。因此，旋转机械故障 诊断是故障诊断技术的主要内容【3 】【5 】1 6 3 l 引。 设备故障诊断技术的发展大致可以分成四个阶段( 4 】【“】： 第一阶段是在1 9 世纪，当时机器本身的技术水平和复杂程度都很低，因此采 用事后维修方式。 第二阶段是进入2 0 世纪后，随着大生产的发展，机器设备本身的技术复杂程 度也有了提高，设备故障或事故对生产的影响显著增加，在这种情况下，出现了 定期预防维修方式。这期间，设备故障诊断技术处于孕育时期。 第三阶段是从2 0 世纪6 0 年代开始，特别是7 0 年代以来，随着现代计算机技 术、数据处理技术等的发展，出现了更科学的按设备状态维修方式的故障诊断技 术。 第四阶段是进入2 0 世纪8 0 年代以后，专家系统、神经网络等产生，并在实际 工程中应用，使设备故障诊断技术达到智能化程度。 到目前为止，很多前沿科学的成果己引入到机械故障诊断领域，使故障诊断从 方法到手段都有了很大的发展。当代前沿科学是指当今发展迅速、应用广泛、学 术研究活跃的科学领域。从2 0 世纪6 0 年代以来，随着计算机技术的进步，数字 信号处理技术得到了迅猛的发展，在故障诊断中，通过传感器从机器上获得的机 器信号和图像，利用机械信号的谱分析、数字滤波、时频分析、自适应分析、小 波分析等种种信号处理技术，使得故障诊断技术得到了进一步的发展。1 9 5 9 年【1 7 j ， k o l m o g o l v o 提出了一条关于信息集成的著名定理，对于一个系统，将多个单维信 息集合成多维信息，其信息量必然会比任何一个单维信息的信息量都大，现在它 2 东北大学硕士学位论文第一章绪论 已成为事实上的公理。根据这个公理，在监测机器设备运行状态时，就应该尽可 能采用多个传感器进行监测，更真实更精确的获得机器的运行状态。信息融合技 术已应用于故障诊断中。信息融合技术是指由多种类型的传感器获得的信息的集 成。系统论，非线性理论和方法，分形几何的方法，专家系统，神经网络技术等 也都应用于故障诊断中。 近三十年来，设备故障诊断技术不断吸收现代科学技术发展的新成果，从理论 到实际应用都有迅速的发展，至今己发展成为集数学、物理、力学、化学、电子 技术、计算机技术、信息处理、人工智能等各种现代科学技术于一体的新型交叉 学科【3 7 】 4 0 】。 故障诊断技术的研究内容主要表现在以下几个方面1 4 i i 6 卜【2 6 】 2 8 ： ( 1 ) 故障机理的研究； ( 2 ) 故障信息处理技术的研究： ( 3 ) 专家系统与神经网络的研究： ( 4 ) 故障诊断装置的开发与研究。 为了减少和避免故障的发生，各国都投入了大量的人力和物力进行了故障诊断 技术，特别是旋转机械故障诊断的研究。 在国外，美国的几家专业公司对转子动力学、高速旋转机械的监测与诊断技术、 包括大型电站机组的运行与监测、大型工厂的机组的可靠性、安全性、维修性与 经济管理技术已从事有4 0 多年或者至少也有二十多年的历史 2 9 】【3 2 】。b e i 公司 ( b o y c ee n g i n e e r i n gi n t e r n a t i o n a l ) 专门从事涡轮机械( 主要是高速燃汽轮机) 的 设计、制造、试验以及与其有关的机械可行性、可靠性、运行性能改进等方面的 工作，其中对发展涡轮机械基于专家系统的状态监测与故障诊断、电子仪表与控 制设备以及人员培训等方面工作是该公司目前的发展重点。w h e c ( w e s t i n g h o u s e e l e c t r i cc o r p o r a t i o n ) 公司从事a i d 工作( a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c ed i a g n o s i ss y s t e m ) 是 从1 9 7 6 年开始的，于1 9 8 1 1 9 8 2 年建立了大约几百条规则库系统，到1 9 9 0 年逐步 发展到共3 2 0 0 0 多条的人工智能诊断规则库。i r d m ( i n t e m a t i o n a lr e s e a r c h d e v e l o p m e n tm e c h a n a l y s i s ) 公司在预示性维修方面处于国际领先地位，其技术是以 工厂企业设备监测与维修管理技术著称于世。它的大小类型现场动平衡机居于世 界领先地位。近年来大力发展基于知识的自动诊断系统。在欧洲，由意大利电器 3 东北大学硕士学位论文第一章绪论 委员会( e n e l ) 指导及负责研制的现代振动监测系统( s m a v ) 安装在重要电厂机 组上。日本三菱重工研制的机械状态监测系统( m h m s ) 是经过8 1 0 年的试验研究 历程并具有代表性的电站机组监测系统，已经安装在多台核电站与商用热电站上 使用。美国s o h r ej s 2 7 1 于1 9 6 8 年发表的论文“高速涡轮机械运行问题( 故障) 的起因和治理”对旋转机械的典型故障征兆和原因进行了全面的研究和归纳。他 将典型故障归纳为9 类3 7 种。该项研究成果已被广泛应用于高速旋转机械故障诊 断中；日本的白木万博自6 0 、7 0 年代以来，发表了大量的故障诊断文章，总结了 大量的现场经验并进行了理论分析：美国b e n t l y 公司的转子动力学研究所对转子 和轴承系统典型故障机理进行了大量的试验研究，发表了不少论文。 在国内，设备诊断技术的研究规模很大，远远领先于这一技术的工程应用。全 国有近百家高等院校、科研院所从事故障诊断技术的研究工作。目前，在国内己 形成了十多个水平较高、有一定规模的诊断技术研究中心，如西安交大、哈工大、 清华、浙大、上海交大、华中理工大学、东北大学、北京科大等的诊断技术研究 中心，对国内诊断技术的研究工作起到了重要的领导和促进作用。“八五”期间， 我国的一些高校、研究所结合重大科技攻关项目“大型旋转机械状态监测、分析 及故障诊断技术研究”在故障机理研究中提出了非线性油膜力作用下最佳轴承参 数优化方法；在机电耦合动态分析研究中，对多机a c a d 联合电力系统进行同步 谐振与轴系扭振研究；在对流体诱发振动研究中，应用震荡流体力学理论，对叶 片失速流、尾迹流、气封间隙流等进行了研究和计算：在对各种热力状态诱发故 障机理研究中，对各种热参数变化引起的故障进行了分析、研究，这些研究成果 使我国在旋转机械故障机理研究方面提高到一个新的水平。 1 2y l i i 一8 0 0 0 f 型烟气轮机的概况 y l i i 8 0 0 0 f 型烟汽轮机是中国石化总公司锦西炼化总厂重油催化裂化装置的 核心设备之一，它与轴流压缩机、异步电机以及变速箱配套，实现对烟气能量进 行回收的目的。y l i i 一8 0 0 0 f 型烟气轮机正常运转时将催化裂化再生烟气中所蕴含 的热能与压力能膨胀做功转变为机械能，其发出的功率用于驱动轴流式压缩机( 主 风机) 、在重油催化裂化生产过程中占有重要地位，工艺流程见图1 1 。由于催化 裂化再生烟气中含有一定量的催化剂固体颗粒，因此，在烟气轮机的设计上考虑 4 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 了气固两相流动的特点，采用两级透平叶片和轴向进气悬臂转子结构，提高了机 组的效率，并减低了气体流速而减轻了烟气中所含的固体颗粒对叶片的磨损。 十烟气出口 l 电动机 j 口 空气 口丘漪窒气出口 图卜1 烟气轮机工艺流程 f i g 1 1t e c h n o l o g i c a if l o ws h e e to fs t a c k - g a st u r b i n e 图卜2y l i 卜_ 8 0 0 0 f 型烟汽轮机“1 0 - 1 8 ”事故后一、二级叶片破坏情况 f i g1 2d a m a g es t a t eo fy l i 卜8 0 0 0 f s t a c k g a st u r b i n e sf ir s ta n ds e c o n db ia d e sa f t e r ”1 0 - 1 8 ”a c c j d e n t 5 东北大学硕士学位论文第一章绪论 尽管在结构上采取了若干预防措施，y l i i 8 0 0 0 f 型烟气轮机仍然于1 9 9 9 年 l o 月1 8 曰2 ：0 0 到4 ：0 0 运转时突然发生机组转子与静子( 机壳) 刮擦事故( 以下 简称1 0 1 8 事故) ，导致转子的两级叶片大部分碎裂和转子轴承及静予等部件不同 程度的破坏失效( 见图1 2 、图l - 3 ) ，并造成整个生产工序长时间停车，由此引 起的直接、间接经济损失十分巨大。 为避免维修后的y l i i 8 0 0 0 f 型烟气轮机再次发生类似重大安全事故，有必要 对其故障发生的原因进行分析与诊断。为此，本文在对y l i i 一8 0 0 0 f 型烟气轮机进 行具体分析的基础上，将旋转机械的故障诊断技术应用于y l i i 一8 0 0 0 f 型烟气轮机 中“l o 一18 ”事故分析中，力图找出烟气轮机故障发生原因。 图卜3y l i 卜8 0 0 0 f 型烟气轮机“1 0 - 1 8 ”事故后轴承上盖破坏情况 fg 卜3d a m a g es t a t eo fy li 卜8 0 0 0 f s t a c k - g a st u r bil i e sb e a rin ghig hc o v e ra f t e r “10 18 ” a c c i d e n t t 3 本课题的主要研究内容 在前述理论基础上，本文通过以中石化锦磋炼化总厂重泊催化裂化生产流程中 y l i i 8 0 0 0 f 型烟气轮机发生的“1 0 18 ”这一重大事故为工程背景，通过对该机组 动态特性的分析，应用旋转机械故障诊断的若干理论，分析了y l i i 一8 0 0 0 f 型烟汽 轮机故障的可能原因及故障的发生征兆。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 本文包括以下主要内容： 1 y l i i 8 0 0 0 f 型烟气轮机结构分解、力学建模与模态分析。 2 旋转机械及y l i i 一8 0 0 0 f 型烟气轮机主要故障来源分析。 3 旋转机械主要振动特征分析及y l i i 一8 0 0 0 f 型烟气轮机故障特征分析。 4 旋转机械几种常见故障机理分析。 5 y l i i 一8 0 0 0 f 型烟气轮机“1 0 1 8 ”事故故障分析及预防措施。 6 结论。 东北大学硕士学位论文 第二章y l l l 8 0 0 0 f 型烟气轮机结构厦力学建模 第二章y l i i 8 0 0 0 f 型烟气轮机结构及 力学建模 2 1y l i i 一8 0 0 0 f 型烟气轮机转子结构与工作参数 为建立y l i i 一8 0 0 0 f 型烟气轮机转子力学模型需要考虑机组的以下几个部件： 1 转子本体 就转子本体而言，考虑到烟气轮机中介质为气一固两相流动、高温、高压的特 点及介质中所含固体颗粒对通流部分的冲蚀磨损，为提高系统能量转化效率并尽 可能的降低磨损，设计时轴向进气悬臂转子结构、两级透平”“。转子结构简图见 图2 1 。其中，一、二级轮盘之间，二级轮盘与主轴之间采用止口定位，并热装在 轴端。轮盘与主轴之间采用拉杆螺栓连接紧固，用套筒传递扭矩；螺栓安装时预 紧为要求考虑拉杆及轮盘工作时的热变形，同时确保拉杆不受扭力作用且受力均 匀。 王 图2 1y l l i - 8 0 0 0 f 型烟气轮机转子结构简图 fig2 - 1t h es t r u c t u r eo fy l i i 一8 0 0 0 f s t a c k g a st u r b in e sr o t o r 二级轮盘均为实心结构，采用g b 8 6 4 ( w a s p a l o y ) 材料模锻并加工而成，轮缘 开枞树形叶根槽，用以装入带有枞树形叶根的动叶片，由锁紧片锁紧定位。一二 8 东北大学硕士学位论文第二章y l i i 8 0 0 0 f 型烟气轮机结构及力学建模 开枞树形叶根槽，用以装入带有枞树形叶根的动叶片，由锁紧片锁紧定位。一二 级叶片由高温合金g h 8 6 4 模锻( w a s p a l o y ) 成形，叶型部分喷涂耐磨材料。装配 时按等重分组对称安装，并保证叶根与轮槽均匀的在三个齿面接触，非接触间隙 0 0 3 m m 。 2 配套轴承与润滑 与y l i i 8 0 0 0 f 型烟气轮机配套轴承系统采用静压滑动油膜轴承，由两个径向 轴承与一个止推轴承组成，径向轴承为四油叶滑动轴承( 见图2 2 ) ，主止推轴承 为八瓦块的金氏伯里轴承，副止推轴承为八瓦块米契尔轴承。装配时，转子相对 于机壳的对中与定位都是用轴承箱底面下的调整垫片来调整的，用螺栓和定位销 固定于底座上。采用i s o - v g 4 6 号透平油润滑，润滑油进入轴承的入口压力为 1 2 m p a ( 表) ，油温4 0 4 5 度，正常工作时应保证转子轴径与前径向轴承的最小油 膜厚度处的半径间隙为o 1 4 0 1 6 m m ，后径向轴承为o 1 3 0 1 5 m m 。研瓦时在瓦块 弧形的中部约有1 3 瓦块弧长部分均匀接触，前径向轴承的瓦块间隙为 04 2 0 4 8 m m ，后径向轴承的瓦块间隙为0 3 9 0 4 5 m m ；推力轴承推力盘与推力瓦 的间隙为0 4 6 0 4 8 m m 。 ( a ) 后轴承油示意图( b ) 前轴承油示意圉 图2 - 2 转子系统轴承示意图 f i g 2 - 2s k e t c hm a po fr o t o rs y s t e mb e a r i n g ( a ) s k e t c hm a po fb a c kb e a r in g ( b ) s k e t c hm a po ff r o n tb e a rin g 东北大学硕士学位论文第二章y l l l 8 0 0 0 f 型烟气轮机结构及力学建模 3 联轴器 y l 工i 一8 0 0 0 f 型烟气轮机转子采用刚性齿套联轴器，铸钢材料，见图2 - 3 所示。安 装时作动平衡，不平衡质量小于1 6 0 9 c l 。 过心心漪薅烈 厅珊-i勿 # g 髟 i i 】一一- 一一一一一一一臣 一 i ，一一l 一 - - - - 乡形彩形彤彩劳移么 l ： & r x 造心心受x 图2 - 3y l i1 - 8 0 0 0 f 型烟气轮机转子联轴器 f ig2 - 3c o u p ii n go fy l ii 一8 0 0 0 f s t a c k g a st u r b i n e 4 轴承座结构 由箱体和箱盖两部分组成，均为z g 2 5 材质，其刚度远大于转予刚度，可以将 轴承座与基础均简化为刚体。轴承座结构如图2 - 4 所示。 自录宽座 卣 ： 后轴承支座i i! 图2 4y l i i - 8 0 0 0 f 型烟气轮机轴承座结构 fig 2 - 4t h es t r u c t u r eo fy lii 一8 0 0 0 f s t a c k g a st u r bin e sb e a rin gb a s e 5 轴封系统与轮盘蒸汽冷却系统 y l i i 一8 0 0 0 f 型烟气轮机转子轴密封由两段迷宫组成，气封片固定在气封体上， 蒸汽从靠近迷宫密封处前端注入，使其沿着轮盘径向流动进入机壳，与烟机排出 烟气混合后排出，气封体内的蒸汽压力与二级动叶片后的烟气压力实行压差控制。 密封空气由中间轴封注入，实行手动控制，轴封空气的压力略高于蒸汽压力，以 防止蒸汽从轴端泄出。轴封空气一部分流入抽气空腔，和少量蒸汽一起由抽气口 抽出机外，另一部分经迷宫密封泄入大气。 东北大学硕士学位论文第二章y l i i 8 0 0 0 f 型烟气轮机结构及力学建模 入一、二级轮盘之间的空腔，冷却一级轮盘的后侧面和二级轮盘的前侧面，并经 气封s n - - 级轮盘上的间隙进入流道；另一路是二级轮盘后的轴端密封蒸汽进入机 壳后，沿着二级轮盘后侧面作径向冷却，并流入流道。 6 转子运行环境 y l i i 8 0 0 0 f 型烟气轮机运行时，烟气从转子装有两级透平叶片一端轴向流入， 经由两级叶片到达转子另一端侧向流出。也就是说，在机组正常工作时，转子自 始至终都处于高温高压蒸汽包围之中，入口烟气含尘浓度约为2 0 0 m g m 3 ，含直径 大于1 0 呻的固体催化剂颗粒含量约为3 。 转子系统工作参数如下表所示。 表2 1y l i i 8 0 0 0 f 型烟气轮机工作参数 t a b l e2 - 1w o r k i n g p a r a m e t e r so f y l l l - 8 0 0 0 f s t a e k g a s t u r b i n e 转子系统运行控制要求为： 1 、烟气入口温度正常操作时为9 0 3 k ，高于9 7 3 k 时报警； 2 、转子径向轴承温度高于3 5 3 k 时报警，高于3 6 3 k 时人工停机； 3 、转子推力轴承温度高于3 6 3 k 时报警，高于3 7 3 k 时人工停机； 4 、润滑油压力低于0 5 8 8 1 0 5 p 。时报警，辅助油泵自启动，低于 0 3 9 2 1 0 5 p a 时停机； 5 、转子系统振动双振幅大于o 0 8 报警，大于o 1 0 m m 时人工停机 6 、推力轴承径向位移大于o 3 5 m m 时报警，大于0 5 m m 时停机； 7 、轮盘正常操作温度低于5 7 3 k 或高于6 2 3 k 时报警； 1 1 东北大学硕士学位论文 第二章y l i i 8 0 0 0 f 型烟气轮机结构及力学建模 8 、转子系统运行转速超过5 h i t 报警，超过7 时停机。 2 2y l i i 一8 0 0 0 f 型烟气轮机转子力学建模与模态分析 为了分析y l i i 一8 0 0 0 f 型烟气轮机“l o 1 8 ”事故发生的原因，需要对烟气轮机 转子运转的动力学稳定性进行分析。为此，对y l i i 8 0 0 0 f 型烟气轮机进行结构简 化，以期建立其转子稳定性力学模型。为简化问题起见，对y l i i 8 0 0 0 f 型烟气轮 机作如下简化： 1 不考虑转子本体上键槽等对转子局部刚度的削弱作用，拉杆螺栓连接按普 通联接件考虑； 2 由于轴承座结构刚度较大，忽略轴承座结构的弹性，将其与基础一起简化 为刚体； 3 轴承油膜力按线性近似； 4 忽略齿套联轴器对转子承受弯矩的影响； 5 轴封冷却系统按弹性支承处理； 6 考虑到转子运行环境的影响，转子叶片轮附加3 0 烟气质量。 对经以上简化处理的转子模型采用a n s y s 6 0 作模态计算，计算得其前5 阶 固有频率为： 表2 - 2y l i i - 8 0 0 0 f 型烟气轮机各阶计算模态 t a b l e2 - 2t h ec a l c u l a t e dm o d e so f y l i i 一8 0 0 0 f s t a c k o g a st u r b i n e 主模态固有频率( h z ) 4 2 6 1 0 5 18 0 9 5 2 1 l o 1 3 4 4 4 1 3 4 5 7 转子承载及各阶计算模态如图2 5 所示。 东北大学硕士学位论文第二章y l l l 8 0 0 0 f 型烟气轮机结构及力学建模 a ) 转子计算模型 a ) t h em o d e lo fr o t o rf o rc a i c g l a t i n g b ) 一阶扭振模态 b ) t h ef ir s to r d e rt o r s i o n a im o d e 东北大学硕士学位论文第二章y l i i 一8 0 0 0 f 型烟气轮机结构及力学建模 c ) 二阶横向弯曲模态 c ) t h es e c o n db e n din gm o d e d ) 三阶横向模态 d ) t h et h ir db e n d i n gm o d e 东北大学硕士学位论文第二章y l l l 8 0 0 0 f 型烟气轮机结构及力学建模 e ) 四阶横向模态 e ) t h ef o u r t hb e n din gm o d e f ) 五阶纵向模态 e 1t h ef i l c hb e n d i n gm o d e 图2 巧转子各阶计算模态 f i g 2 - 5t h ec a i e u i a t e dm o d e so fr o t o r 一1 5 东北大学硕士学位论文第三章旋转机械及y l i i 一8 0 0 0 f 型烟气轮机主要故障来源 第三章旋转机械及y l i i 8 0 0 0 f 型烟气轮机 主要故障来源 3 1 旋转机械故障的来源及主要原因 就机械系统故障诊断本身而言，这是一件非常复杂的事情，因为通常一个工 业用机械设备系统本身就是一个复杂的系统，从设计到实际运行又要经过多个环 节，每一个环节处理不当都可能造成设备运行故障，另一方面，大多数运行环境 大都比较复杂，有些环境因素在设备运行中往往起着较为重要的因素，而这个因 素在设计、加工等环节常常可能被忽略。总而言之，造成最终设备运行故障的因 素是多方面的，但就旋转机械设备来说，其运行故障的来源或主要原因大致可以 归结为以下几个主要方面。 3 1 1 在设计和制造过程中引起的故障 在造成旋转机械运行状态劣化的所有因素中，设计过程中的某些失误的影响 最为重要，特别是随着工业生产部门技术水平和对生产要求的不断提高，旋转机 械正朝着高速超高速、重载、多功能和自动化方向快速发展，传统的基于静态或 低速运行状态的设计方法往往难以适应现有要求，使用传统设计方法设计的设各 工作时常会出现一些意料之外的情况。此外，某些影响设备运行状态的因素可能 会相互耦合、相互作用的，设计时对这些因素考虑不足或仅考虑其单独作用的情 况，也可能造成设备实际工作时运行于非理想状态。 同设计环节相比，设备加工过程的某些不良操作也会对设备的工作运行状态产 生劣化影响，而这些影响和设计失误造成的影响一样往往是难以消除的。特别是 中国的制造业的从业人员中存在相当一部分非专业人员，他们的技术水平可能不 是太高，或是专业技术水平不足，这就造成中国的制造业熬体水平落后发达国家 较大的一段距离，也造成某些设备或某些零部件特别是应用较多的标准件加工精 度不足，造成选用这些配件的设备功能失效，这是需要通过几代人的努力才能改 变的国情事实。综合起来说设计和制造过程中引起设备运行故障的原因主要有以 f 几个方面： 1 6 东北大学硕士学位论文第三章旋转机械及y l l l 8 0 0 0 f 型烟气轮机主要故障来源 1 设计不当，动态特性不良，运行时发生强迫振动或自激振动 设计过程中未考虑设备运行时状态，或仅按静状态设计都可能导致机械设备实 际运行于非理想状态，并由此可能导致产生附加激励，从而造成设备处于强迫振 动状态，而在某些设备中如果存在阻尼元件可以蓄能，则还可能造成设备运行于 自激振动状态，此时设备的运行状态更为复杂，也更难改良性能。 2 结构不合理，引起较严重的应力集中 设备的某些部件结构设计不合理，承载部件受载不均匀，这样在设备正常工作 时就可能出现承载部件的一部分承受载荷，从而使得这部分承载元件强度不足， 较早失效，并引发连锁效应，造成设备运行状态劣化，或整个设备系统瘫痪。设 计结构不合理的另一个方面表现在设备的某些结构的细微之处考虑不足，在实际 使用中会出现应力集中，严重时可能造成这些部位较早的出现局部失效或损坏， 从而引发整个系统的功能失效。 3 工作转速接近或落入临界转速区 机械设备特别是旋转机械都存在一个或多个危险的谐振频率，当工作频率等于 或接近这些谐振频率时或其某些倍数时，机械设备就处于谐振状态，振动幅度明 显增大，超出容许范围，这种运行状态极容易造成机械设备损坏。这就要求在设 计过程中对某些重要设备进行动态分析，找出其所有危险的谐振频率，并在此基 础上合理设计工作转速或调整设备的某些部件，改变其谐振频率，使其远离要求 的工作频率。 4 运行点接近或落入非稳定区 机械设备设计过程中，为简化问题起见，对某些次要影响因素进行适当的精简 是必要的。但必须考虑到设备在运行状态中这些次要影响因素是动态变化的，并 确保在实际工作点附近这些因素的对设备运行状态的不良影响作用不至于增大到 超出容许范围。因而，大多数机械设备都存在一个或多个非稳定运行区，当工作 点落在或接近这个非稳定区时，某些劣化因素的影响效果会突然上升，造成设备 运行失稳，这在工程实际中是较为常见的。 5 零部件加工制造不良，精度不足 设备加工过程中加工工序缺省、加工工序不合理等称为加工制造不良：由于设 备加工人员技术水平的限制或是加工工厂制造车床加工精度的限制而造成产品的 17 东北大学硕士学位论文第三章旋转机械及y l i i 8 0 0 0 f 型烟气轮机主要故障来源 精度不够，这些因素会对机械设备的功能会产生较大影响，往往造成设备运转时 达不到设计要求，产生运行不到位而导致部分功能失效，严重时可能导致整个设 备系统的报废：或是啮合部件接触强度不足而导致设备的某些部位产生局部损伤。 6 零件材质不佳，强度不足或制造中引起的缺陷 设备加工过程中，各零部件所选材质实际强度达不到设计要求，或是选用便宜 的劣质同类材料作为替代品等都称为加工选材不良，它往往也会导致设备运转时 强度不够而产生局部损失；另一方面，还存在加工过程中选用的原材料存在加工 制造缺陷而导致设备功能失效的情况，如选用的铸件存在深层气孔、砂眼缺陷； 锻造件存在裂纹等缺陷；金属热处理强度不足等都可能引起设备功能失效或运行 状态劣化。 7 转子动平衡不符合技术要求 转子动平衡的技术要求应该算是旋转机械所特有的，也是必需的一项。作为旋 转机械的核心部件，转子高速运转时不平衡质量的影响是无法忽略的，它往往会 成为转子振动的主要激励源，引发转子的强迫振动或是自激振动，并因此产生设 备运行状态劣化或是直接导致强度破坏。所以，重要旋转机械转子出产时必需进 行严格的动平衡试验。 31 2 由于安装维修不当引起的故障 设备安装维修不当而造成故障的比例也是比较大的，对旋转机械而言，这一环 节的影响更为重要，设计合理、加工理想的旋转部件如果安装过程出问题，也会 导致设各过早失效或根本无法正常工作，这在工程实际中已是屡见不鲜的事了。 大体上来说，这一环节可能在以下几个方面出现问题： l ，机器安装不当，零部件错位，预负荷大 设备安装人员未能很好的读懂装配图纸，或为按装配图所指明的工序操作，从 而造成设备零部件错位或无法到达正常位置，会致使旋转机械运行时出现“抱轴” 或是运行时转静子“碰摩”等非正常状态。某些紧固件安装预负荷过大也可能改 变旋转机械的固有频率改变，从而出现不该有的谐振现象而造成旋转设备故障或 是强度破坏。 2 轴系对中不良( 对轴系热态对中考虑不够) 东北大学硕士学位论文第三章旋转机械及y l i i 8 0 0 0 f 型烟气轮机主要故障来源 旋转机械轴系安装对中不良对转子运行状态有很大的影响，往往会造成轴系运 转发生转静子碰磨或是抱轴等事故，关于这一点我们将在后面的章节详细讨论。 这里需要说明的是很多情况下，轴系在工作点运行时处于与常温不同的热态，而 轴系的安装通常不可能在这一热态下进行，这样，在常温下安装时对中良好的轴 系在工作点处运行时可能却会出现对中不良的情况，这就需要在安装时充分考虑 热态应力和热态应变，并作适当的预反应变 3机器几何参数( 如配合间隙、过盈量及相对位置) 调整不当 旋转机械对加工和安装的精度要求很高，通常对加工和安装过程中产生的误差 非常敏感。因此，在旋转机械设备的设计过程中，通常会对一些对转子运行状态 影响较大的尺寸部位作调整处理，预留一定的安装调整空间，使得安装人员可以 从容的将轴系调整到最自由的运行状态。但如果安装人员对这些几何参数调整不 当，就会造成设备运行出于非常不好的故障运行状态 4 管道等应力大，机器在工作状态下改变了动态特性和安装精度 旋转机械设备运行时通常都会产生一定的热量，所以一般情况下，旋转机械都 配套有润滑系统、冷却系统等辅助设备，这些辅助设备系统中的某些部件如管道 等安装时如果出现位置不正或预弯曲过大等问题，就可能造成机器在工作点附近 动特性发生较大改变或诱发故障。 5 转子长期放置不当，改变了动平衡精度 由于转子属于旋转机械的核心元件，通常工程现场都会备有数量若干的备用 件，这些备用转子长期放置时，由于重力作用通常会产生径向静弯曲挠度，这种 已发生形变的转子如果不加任何处理就直接安装在轴系中就极容易由于运转时偏 心激励的存在而诱发转子系统的强迫振动或是自激振动。 6 安装或维修过程破坏了机器原有的配合性质和精度 前面已说过，旋转机械设计中通常会在某些加工尺寸不好精确保证的部位预留 调整修配的尺寸空间，但是由于这些尺寸对转子运转状态的影响，通常会对调整 修配时的尺寸配合性质和配合精度做出要求，如果安装维修过程中调整修配尺寸 时，这些配合性质被改变或配合精度难以保证，就必然会改变转子运转的状态， 并进一步诱发深层故障。 东北大学硕士学位论文第三章旋转机械及y l i 8 0 0 0 f 型烟气n , t , z 主要故障来源 3 1 3 运行操作不当引起的故障 旋转机械高速运转状态下通常对外部因素改变非常敏感，这就要求操作人员必 须具有较高的专业知识和认真负责的专业精神。很多情况下，运行操作的不适当 处理会对设备的良态运行产生很大影响，甚至可能影响其使用寿命直至造成设备 报废。一般而言，由于运行操作不当而引起旋转机械故障的大致分为以下几种情 况。 1 机器在非设计状态下运行，改变了机器工作特性 当旋转机械工作在非设计状态如超转速、超负荷或低负荷、低转速运行时也可 能诱发故障，这是由于通常情况下旋转机械必须运行在一定的润滑、冷却条件下 _ = ：j 能获得良性运行状态，当工作点改变如转速等改变时，这些必要条件大多会随 之改变，例如当设备运行在超转速状态时可能会烧穿润滑剂，而低转速则可能造 成无法建立正常润滑条件，这样整个设备的工作特性都已经发生改变，很难预料 会发生什么样的故障。负荷的改变也大致如此。 2 润滑或冷却不良 对旋转机械来说，良好的润滑、冷却等条件是设备良性工作的必要前提。其中， 润滑条件的好坏直接影响到设备的运行转速，当此设备采用静、动压轴承支承时， 这一条件的改变还直接影响到设备的承载能力，可想而知，如果润滑条件达不到 要求，极有可能造成抱轴、转静子碰磨、设备承载能力下降等严重故障。冷却条 件则