汽輪機葉片動應力的影響因素的分析論文

有關汽輪機葉片動應力的影響因素的分析論文

　　摘要：葉片在汽輪機中承擔著將蒸汽的熱能轉化成機械能的重要任務，是汽輪機中最精細、最重要的零件之一。葉片在極苛刻的條件下承受離心力、蒸汽力、蒸汽激振力、腐蝕、和振動以及濕蒸汽區水滴沖蝕的共同作用。而在這其中，葉片所受的動應力起著重要的作用。本文則對葉片動應力的影響因素進行了簡單分析。

　　關鍵詞：葉片;動應力;阻尼

　　汽輪機葉片葉片工作在高溫、高壓、高轉速或濕蒸汽區等惡劣環境中，經受離心力、蒸汽力、蒸汽激振力、腐蝕、和振動以及濕蒸汽區水滴沖蝕的共同作用，在加上難以避免的設計、制造、安裝質鶯及運行工況、檢修工藝不佳等因素的影響，常會出現損壞，輕則引起汽輪機發電機組震動，重則造成飛車事故。汽輪機葉片的安全可靠直接關系到汽輪機和整個電廠的安全，研究汽輪機葉片的安全可靠性，必須清楚葉片所受的作用力，而動應力對葉片的影響最大。葉片的工作環境是高溫、高速及粘性的流場，因此，常在各種激振源產生的低頻激振力和高頻激振力作用下產生強迫振動，從而造成動應力過大，導致葉片損壞。而激振因子和葉片阻尼特性是決定動應力大小的重要因素。

　　一、激振因子對葉片動應力的影響

　　葉片在不均勻的流場中轉動時，受周期性的激振力作用產生受迫震動，現將此作用在葉片上的汽流激振力P沿圓周方向按Feurier級數展開，可得：

　　P=P+∑PK sin[K@- q7K) (1)

　　式中：P-作用在葉片上的汽流力按時間的平均值，∞一汽輪機轉子旋轉角速度，co=2Ilns，K-激振力階次，對高頻激振力K=l，對低頻激振力K=l，2，3--，Pt第足階激振力幅值，q)K -第足階激振力相角，而激振因子Sk=pjp。

　　影響激振因子的因素會有很多，如噴嘴尾緣厚度、動靜軸向間隙及噴嘴喉寬節距制造偏差都是其重要因素。噴嘴尾緣厚度增大則激振因子也隨之增大，但隨動靜軸向間隙的變化激振因子卻不定論，隨著間隙增大激振因子會先增大后減小，因此噴嘴結構參數的選取很重要。噴嘴喉寬節距制造偏差的分布形式會在很大程度上影響激振因子的分布，因此在合理范圍內控制其制造誤差也非常重要。

　　二、關于葉片的阻尼特性方面

　　為了提高葉片的安全性，在設計時我們可以增加葉片的阻尼從而降低葉片的動應力。設計時在葉片上采用合適的結構增加葉片的阻尼是提高葉片強度的有效方法，目前已被國內外多家汽輪機制造廠家廣泛采用。為了提高葉片抵抗振動疲勞的能力，各汽輪機制造廠家在葉片上，尤其在中長葉片上廣泛采用了阻尼圍帶以及各種拉筋型式如松拉筋，凸臺拉筋等結構，這樣可以減少葉片所受的振動應力。總結來說，葉片所受阻尼主要有材料阻尼、摩擦阻尼、氣動阻尼和撞擊阻尼這四種。這四種葉片阻尼中，摩擦阻尼和撞擊阻尼均屬于結構阻尼，也是目前各汽輪機廠家常用的增加葉片阻尼的手段。

　　(一)利用干摩擦增加葉片阻尼是目前各廠家廣泛應用的手段之一。它的主要優點是不受溫度限制，結構相對簡單且效率較高。常用的干摩擦結構有阻尼拉筋、阻尼圍帶以及緣板阻尼塊等等。阻尼圍帶分為裝配圍帶和自帶圍帶，一般來說，裝配好的葉片靜態時相鄰圍帶間有一初裝間隙，汽輪機工作時由于扭轉恢復力的作用使得相鄰圍帶接觸面相互貼緊，葉片振動時，接觸面有相對滑移而耗散葉片的振動能量，降低振動應力。

　　(二)關于撞擊阻尼，目前國內外對它的研究還相對較少，對它的減振原理和減振效果的研究并不全面。然而在文獻Ⅲ中作者武新華和李衛軍卻提出了一個極為新穎的自調諧撞擊阻尼結構。它是在葉片的頂部安裝一個小的球面腔室，在腔室中放置一個小鋼球，當葉片旋轉起來以后，小鋼球會緊貼在腔室的球面上，葉片振動以后，小鋼球可以通過撞擊腔室的壁面來提供阻尼，其效果就如上文中所述的撞擊阻尼圍帶一樣，而該自調諧撞擊阻尼結構中鋼球在腔室內的振動頻率與旋轉速度成正比，所以可以通過計算合適的幾何尺寸和設計合適的結構，從而可以在任意轉速下都能為葉片提供良好的阻尼效果。

　　(三)對于摩擦減振的機理已有大量的學者進行了深入的研究，筆者不才認為還可以在以下兩方面做更深一步的研究：(1)建立新的接觸面正壓力變化微動滑動摩擦模型;(2)對整圈葉片非線性系統求解辦法進行優化。目前國內外對于碰撞阻尼的研究相對較少，對其機理還不是十分清晰，所以需要對其進行更多的研究，例如：(1)使得碰撞阻尼的數學模型更貼近實際，從而更好的指導阻尼結構的設計;(2)對碰撞阻尼結構的壽命問題進行深入研究：(3)盡量優化汽輪機葉片的碰撞阻尼結構。葉片損傷是汽輪機發生故障的主要原因之一。此外它們還會導致汽輪機長期停機，從而大大降低汽輪機的可用率。因此汽輪機葉片的重要性顯而易見。激振因子和阻尼特性是影響葉片動應力的主要因素，影響激振因子和阻尼特性的因素有很多，但只要按規律辦事，合理設計就能把影響盡量減至最小，從而提高汽輪機葉片運行的安全可靠性，延長汽輪機葉片的壽命，提高汽輪機的可用率。

　　參考文獻：

　　[1]靳智平，電廠汽輪機原理及系統[M]，北京：中國電力出版社，2006.

　　[2]康松，楊建明，胥建群，汽輪機原理[M].北京：中國電力出版社，2004.

　　[3]翦天聰.汽輪機原理[M].北京：中國電力出版社，2004.

　　[4]武新華，李衛軍，自帶冠葉片冠間接觸碰撞減振研究.汽輪機技術，2005，42(2):41-44.

　　[5]趙子輝，謝永惠，張狄，強彥.汽輪機葉片結構阻尼研究發展現狀及展望，汽輪機技術，2008，50(1).

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