转子叶片共振 动叶断裂停机

【简述】2009年06月19日，某电厂330MW汽轮发电机组，转子叶片A1振型共振，导致中压缸第5级动叶叶片断裂，造成2号发电机组被迫停运。
【事故经过】2009年06月19日03时37分48秒，2号机2、3、4瓦X方向轴振分别从31um 、72um、46um突升至143um、223um、146um，Y方向轴振也有不同程度的升高。集控室内清晰听见机组的振动声，运行人员迅速减少电热负荷。03时39分45秒，2号机轴振保护动作，高中压主汽门、调门、中低压回转隔板关闭，本体疏水联动开启，各级抽汽段逆止门、电动门联动关闭。润滑油泵、顶轴油泵联动运行正常、供油压力正常，当机组转速下降至2000～1700rpm时，机组轴振、瓦振迅速增大（2、3、4瓦瓦振分别为93um、100um、100um，2、3、4瓦轴振分别为320um、371um、400um），运行人员立即破坏真空紧急停机，手动打跳B汽动给水泵，启动电动给水泵，停运A汽动给水泵。04时11分，机组转速到零，电动盘车盘不动，值长迅速组织人员进行手动盘车依然盘不动。04时39分，再次启动盘车，盘车电流在20-40A之间大幅度摆动，转子仍然盘不动。04时41分，盘车电流显示最大、盘车热偶动作跳闸。后进一步组织人力进行盘车，但也盘不动。随即值长与专业技术人员沟通后决定关闭所有汽轮机本体疏水进行焖缸。05时00分，继续组织人力进行手动盘车，其间又试投盘车进行电动盘车，转子还是未盘动。08时00分，重新调整顶轴油压，电动启动盘车后仍然无效。08时30分，进一步组织人力盘动转子，转子相位约转动100度后卡死，人力再无法盘动。
事故发生后，继续执行焖缸措施，运行人员和检修公司每6小时进行手动盘动转子。06月21日09时40分，能够手动盘动转子，随后值长下令启动盘车，电动盘车正常（转子轴晃动0.03mm、盘车电流22.4A、机组偏心47.49µm），此后，连续盘车使转子状态参数稳定在轴晃动值为0.02mm；盘车电流23.09A，机组偏心30.21µm（正常状态下轴晃动0.017mm、盘车电流22A、机组偏心31～33µm）。06月28日，2号机高压缸温度降至80℃以下，检修公司拆除化妆版及保温。06月29日，解体1、2、3、4瓦，发现浮动油档磨损较大，且上瓦钨金及推力钨金有轻微的划痕和磨损，随后解体中压缸后发现汽轮机中压缸2号隔板套卡涩，旋转隔板汽封齿卷出、动静连接螺栓及定位销全部断裂，断裂叶片卡在中压缸第6级隔板静叶栅与气缸底部，中压缸动叶第5级两处叶片断裂，一处断在中间，一处断在根部。整圈叶片都有不同程度的刮伤且有几片叶片因碰刮变形严重，6、7、8级动叶及隔板静叶有不同的碰磨变形和凹坑。
【事故原因】
1. 中压第5级共72片静叶片，经分析旋转隔板结构形式，可能存在的激振力频率是3600Hz。如果采用第1种约束边界（切向A0振型572.7Hz、切向A1振型2613.8Hz、轴向A0振型1044Hz、一阶扭振振型1610.2Hz、轴向A1振型3635Hz），轴向二阶频率不能避开3600Hz的激振力频率，有发生A1共振的可能。
2. 通过对拆下叶片的仔细观察分析，发现转子叶片外包小脚部位和径向面都有许多微振磨损的痕迹，这就表明，叶片在工作状态时，叶片径向面之间，叶片外包小脚与轮缘之间存在较大间隙，叶片径向面之间存在较大间隙；叶片材料与叶轮材料线胀系数的差别所致，一方面是因为装配时全周过盈量不够，从而使得振动下传至叶根第一齿工作面，如果振动起始位置在叶根第一齿工作面，那么轴向A1频率就有可能与3600Hz的高频激振频率共振；另一方面由于间隙偏大，使得叶片在汽流力作用下向背弧倾倒，导致叶根齿靠近内弧部位受力大大增加，而背弧部位叶根齿不起作用，在高频激振的情况下，进而发展出裂纹，这一点从断裂叶片的断口分析也得到了应证，断口裂纹是从内弧发生，向背弧方向发展的；还有一方面，外包小脚与轮缘接触不良，影响到了各工作齿的载荷分配，增大叶根的弯曲应力。
综上所述：该级叶片的损坏，是设计和装配的综合原因造成的事故，设计振动频率轴向A1没有调频，是造成此次事故的直接原因。
【防范措施】
1. 由于该级叶片处于旋转隔板后面，其具有较为复杂的汽流激振，运行工况极为恶劣，为了增加该级叶片的安全裕度，减小该级叶片的汽流激振力，将旋转隔板的结构进行改造，即将隔板导叶前面的隔板体腔室之间的隔断筋加工掉，使得导叶前面的腔室形成整圈贯通的环形腔室。这样，旋转隔板的调节方式由喷嘴调节变为节流调节，可以大大的改善该级动叶片的工作状况。
2. 为进一步提高叶片的安全性和减少装配因素对可靠性的影响，采取从设计上调开A1振型的共振频率，采用调整喷嘴只数，即减少6只喷嘴，使得激振力频率变为3300Hz，这样可以避开前5阶频率。
3. 更换中压第5级整级动叶片。
4. 更换中压第6级14只损伤较严重的动叶片；其余叶片圆滑修复现状使用。
5. 更换中压第6级整级隔板。
6. 改进中压第5级（旋转隔板）的结构，补充加工板体腔室，形成全周进汽模式，通过增加节距来调整喷嘴只数为66只。
7. 中压第6级动叶和修复后的旋转隔板在电厂运行一个大修周期（4年）后作相关检查。