基于有限元模态分析的大型冷却塔风机叶片故障分析及监控方法研究

摘要

大型冷却塔风机在石油、电力、冶金、化工以及纺织等行业的工业循环水系统中得到广泛应用，其运转时能够将高温的工业用水强迫冷却，从而使水能够循环使用。风机的重要地位使得企业要求风机具有较高的安全稳定性能，实时掌握风机的健康状况，如有故障及时停机，避免重大事故，从而使得本文具有非常强的现实意义。
　　本文以风机叶片模态分析为主要方法，详细研究已损叶片的断裂部位和断裂方式，结合理论模态分析结论，分析叶片易断部位，提出改善方案。深入学习已有的风机故障诊断资料，提出一种新型、简单、有效的监控方式，设计科学、有效的风机实时状态监控及报警系统。研究成果已经用于中石化生产，实践表明，具有良好的实用价值。
　　本文的主要研究成果包括:
　　(1)广泛调研模态分析在冷却塔风机叶片分析中的应用情况，深入研究风机结构，详细分析风机的常见故障形式，从机理上分析故障原因，重点分析引起叶片断裂的因素。
　　(2)论述风机叶片静态模态分析理论基础，通过三维设计软件Pro/E，建立风机叶片三维实体模型，运用专业网格化软件Hypermesh将叶片网格化，用有限元软件ANSYS进行模态分析，对比分析各阶模态，寻找风机叶片易断部位，并分析解决方案。
　　(3)分析风机叶片运转时的模态，对比静态模态分析结果，详述动力刚化对于模态结果的影响，并通过叶片振型分析振动对于风机叶片寿命的影响。
　　(4)设计基于叶尖脉冲计时监测原理的实时监测系统，实现了叶片的实时监测，并在此基础上设计风机远程自动报警系统，设计短信监控以及蓝牙监控系统，实现了风机叶片故障准时报警以及及时停车。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题来源

1．2 选题背景与研究意义

1．2．1 课题背景

1．2．2 研究意义

1．3 风机叶片模态分析的发展现状及趋势

1．3．1 风机叶片模态分析在国内外的发展现状

1．3．2 冷却塔风机叶片模态分析的发展趋势

1．4 冷却塔风机故障诊断及运行状态监控技术的现状和发展趋势

1．4．1 冷却塔风机故障诊断技术的现状和发展趋势

1．4．2 冷却塔风机运行状态监控技术的现状和发展趋势

1．5 本文主要研究内容及组织结构

2 冷却塔风机基本性能参数及常见故障

2．1 冷却塔风机概况

2．1．1 风机通风量与风机故障

2．1．2 风机效率与风机故障

2．2 冷却塔风机常见故障分析

2．2．1 冷却塔风机的故障根源

2．2．2 冷却塔风机故障振动特征

2．3 冷却塔风机叶片常见故障分析

2．3．1 叶片材料性能缺陷引起叶片故障

2．3．2 冷却塔风筒变形导致叶片断裂

2．3．3 冷却塔风机振动引起叶片故障

2．4 本章小结

3 冷却塔风机叶片模态分析

3．1 风机叶片模态分析基本理论

3．2 建立风机叶片模型

3．2．1 风机叶片二维图形

3．2．2 风机叶片三维实体模型

3．3 风机叶片模态分析

3．3．1 参数设置和铺层设置

3．3．2 划分网格

3．3．3 模态分析

3．3．4 影响叶片模态的因素分析

3．3．5 结论及改进措施

3．4 本章小结

4 风机运行时叶片模态及影响因素分析

4．1 运动叶片动力学模型

4．1．1 建立坐标系

4．1．2 建立动力学方程

4．2 叶片运转时模态分析

4．3 叶片动力刚化对模态影响分析

4．3．1 叶片动力刚化理论分析

4．3．2 动力刚化影响模态趋势分析

4．4 叶片共振与疲劳寿命分析

4．4．1 叶片结构影晌共振频率

4．4．2 叶片材料影响疲劳寿命分析

4．4．3 叶片低周和高周疲劳寿命分析

4．5 本章小结

5 叶片运行状态实时监测及报警系统研究

5．1 叶片运行状态实时监测系统研究

5．1．1 叶尖脉冲计时监测法原理

5．1．2 叶片运行状态实时监测系统

5．1．3 叶片运行状态监控系统监控过程

5．2 冷却塔风机报警系统研究

5．2．1 冷却塔风机无线远程监控自动报警系统

5．2．2 短信自动报警系统

5．2．3 蓝牙无线监控系统

5．3 本章小结

6 结论与展望

参考文献

8 攻读硕士学位期间发表论文情况

致谢

附录