汽轮机叶片结垢对振动响应的研究

陈建磊，赵杰钰

摘要：汽轮机设备是火电厂发电的核心设备，汽轮机叶片是汽轮机机组运行期间的主要构件之一。如果汽轮机运行过程中长期处于含盐蒸汽流动状态下，随着蒸汽压力与温度的降低，盐分进一步析出并沉积在动叶通道内。基于此，本文从实际情况出发，首先进行了汽轮机叶片结垢研究，并针对性提出汽轮机叶片结垢对振动频率影响的试验研究，希望能为解决汽轮机叶片结垢问题提供帮助。

关键词：汽轮机；叶片；结垢；

引言：包括汽轮机在内的所有旋转机械设备运行期间不可避免的会产生振动，当出现异常振动时往往会对汽轮机产生损害。随着技术的不断发展以及工业机械的大型化与复杂化变化，振动问题已然成为其中的关键。汽轮机作为火电厂发电的主要设备，叶片结垢是汽轮机产生振动的重要原因，如果长时间不发现不处理，则必然会引起一定的振动事故。在这种情况下，展开汽轮机叶片结垢对振动响应研究，对于保证汽轮机设备的可靠性、增强汽轮机的使用寿命都有着极为重要的现实意义。

一、汽轮机叶片结垢研究

（一）汽轮机叶片结垢的机理

在汽轮机运行过程中产生、吸纳的蒸汽并非是纯净蒸汽，而是含有钠、磷酸盐、硅酸等化合物。此类化合物的化学性质特点，决定了其在不同温度下的可溶解情况，当汽轮机内部蒸汽温度逐步降低后，化合物逐渐析出，则必然会发生结垢现象，且结垢过程不可逆。因此，分析以上两种化合物的特性就极为必要[1]。钠化合物主要以氢氧化钠、硫酸钠、氯化钠等形式存在于汽轮机蒸汽中，这些钠元素化合物在高温蒸汽中溶解度也较高，随着蒸汽温度的降低析出的钠盐会附着在汽轮机叶片上形成盐垢。硅化合物与蒸汽溶解度较高，如果在汽轮机运作过程中将带有大量硅化合物带入汽轮机做功，则在蒸汽温度降低后就会在叶片中形成大量垢体，且硅酸盐制定较硬，除垢难度较高。

（二）汽轮机叶片结垢的原因

汽轮机叶片结垢是汽轮机问题中较为顽固、常见的问题，汽轮机叶片结垢物质主要是蒸汽中的盐分累计。因此，汽轮机叶片结垢的研究与蒸汽品质之间有着密切联系。汽轮机机组运行过程中因为凝汽器等设备原因导致含盐蒸汽流入汽轮机做功，导致蒸汽品质下降。随着蒸汽温度的降低以及内部压力的降低使得化合物的溶解度也随之降低，当温度数值与压力数值降低到盐的溶解度以下，溶解到蒸汽中的熔盐就会以固体形态析出并附着在汽轮机叶片上。如果汽轮机机组长时间处于这种状态，就会使汽轮机结垢厚度超出允许值，导致机组震动异常。

二、汽轮机叶片结垢对振动频率影响的试验研究

（一）汽轮机叶片频率测试原理

一般情况下，汽轮机叶片频率往往是通过动态与静态两种频率测量方式进行汽轮机叶片频率测定。静态频率测定主要指的是汽轮机叶片在静止状态下的频率测量，测得的数值是汽轮机叶片的固定频率。汽轮机叶片静态频率的数值大小与叶片的材质与质量有正向联系。汽轮机机组在运行过程中叶片会产生高速旋转运动并做功，在离心力的作用下汽轮机叶片会产生平衡点失衡的现象，进而产生弯矩阻止叶片的进一步形变[2]。目前来看，汽轮机叶片频率的测定方法，最常用、最具有可行性的方法就是静态测频法，因此本文主要选取静态频率测定方法对汽轮机叶片频率与结构位置的影响进行研究。汽轮机叶片的整体结构为曲型流线实体，振动频率的测定数值难以实现绝对意义上的精准。因此，在实践过程中可以对汽轮机叶片进行适当简化，将其简化为板或梁结构。从多自由度弹性体的基本振动理论出发，汽轮机叶片结构子模型简化将更为便捷，对叶片元边界条件的界定能够引出微分方程：。通过分析推出单个变截面叶片的静频率为：f=2π/(kl)2AL4/EI=2π/(kl)2mL/EID。式中E为叶片材料的弹性模量；M为叶片的质量（单位kg）；L为叶片的高度（单位m）；kl为叶片频率方程的根。将此公式进行再次精简后可以得出叶片的理论计算公式：fi=(kl)2iEI/pA。式中fi为叶片的第i阶固有频率（单位hz），kl为固有频率系数；EI是叶片截面的抗弯刚度系数。

（二）汽轮机叶片振动试验方法

汽轮机叶片振动的主要研究方法有激励振动法以及共振法。前者主要通过汽轮机叶片振动信号实现电压波形，后者主要是利用李莎茹图法进行电压信号的频率记录。其中，某一信号的电压为输入信号，另外的则是振动响应信号，二者之间的关系为：fx=m/nf。共振法是汽轮机叶片振动测频的基本方法，能够对汽轮机叶片的激振力频率大小进行确定，所以能够对叶片的固定频率进行多次测量。此类方法的工作原理在于叶轮带动叶片后产生的电信号，发送至数字频率器至关键设备，随后利用示波器以及数字频率计等关键设备对振动情况进行收集处理，处理过后的信号与示波器的x轴以及y轴进行对接，并在显示器上呈现椭圆形形态。自振法与共振法相比不需要过多的实验设备，且实验可行性更强，对实验器材要求不高。自振法原理在于将汽轮机叶片进行固定后，用小锤（橡胶材质）对其进行敲击处理，汽轮机叶片振动产生的振动信号被拾振器收集后输送至示波器中，当振动信号同时呈现椭圆形是则表示数字频率计以及音频信号发生器的数值相同

[3]。与此同时，将拾振器与叶片位置想靠拢，在切换频段时应注意将功率放大器关闭，当振动判别完成后移动拾振器，并找出相关节点与节线确定汽轮机叶片振动频率。

结语：

综上所述，汽轮机叶片结垢是汽轮机组运行期间遇到的主要问题，对于汽轮机运行功率以及机组使用寿命都有着一定负面影响。因此，本文主要从汽轮机叶片结垢方面阐述结垢所引起的振动现象，并搭建汽轮机叶片结垢对振动频率影响的试验研究，以此分析汽轮机结垢后频率的变化，旨在帮助汽轮机低压转子末级叶片结垢与产生振动之间的关系，并减少结垢现象的发生。

参考文献：

[1]孟召军,孙鑫,郭智娟,刘彦良,刘晶晶,潘宏刚.汽轮机叶片不同位置结垢对频率响应的试验研究[J].汽轮机技术,2020,62(05):371-373.

[2]张小霓,吴文龙,王锋涛,杨东凯,常亮,徐艳丽.600 MW超临界机组给水弱氧化处理技术及应用[J].工业水处理,2017,37(08):113-116.

[3]张小霓,吴文龙,王锋涛,杨东凯,常亮,徐艳丽.600 MW超临界机组给水弱氧化处理技术及应用[J].工业水处理,2017,37(08):113-116.