汽轮机叶片动应力的影响因素的分析论文

有关汽轮机叶片动应力的影响因素的分析论文

　　摘要：叶片在汽轮机中承担着将蒸汽的热能转化成机械能的重要任务，是汽轮机中最精细、最重要的零件之一。叶片在极苛刻的条件下承受离心力、蒸汽力、蒸汽激振力、腐蚀、和振动以及湿蒸汽区水滴冲蚀的共同作用。而在这其中，叶片所受的动应力起着重要的作用。本文则对叶片动应力的影响因素进行了简单分析。

　　关键词：叶片;动应力;阻尼

　　汽轮机叶片叶片工作在高温、高压、高转速或湿蒸汽区等恶劣环境中，经受离心力、蒸汽力、蒸汽激振力、腐蚀、和振动以及湿蒸汽区水滴冲蚀的共同作用，在加上难以避免的设计、制造、安装质莺及运行工况、检修工艺不佳等因素的影响，常会出现损坏，轻则引起汽轮机发电机组震动，重则造成飞车事故。汽轮机叶片的安全可靠直接关系到汽轮机和整个电厂的安全，研究汽轮机叶片的安全可靠性，必须清楚叶片所受的作用力，而动应力对叶片的影响最大。叶片的工作环境是高温、高速及粘性的流场，因此，常在各种激振源产生的低频激振力和高频激振力作用下产生强迫振动，从而造成动应力过大，导致叶片损坏。而激振因子和叶片阻尼特性是决定动应力大小的重要因素。

　　一、激振因子对叶片动应力的影响

　　叶片在不均匀的流场中转动时，受周期性的激振力作用产生受迫震动，现将此作用在叶片上的汽流激振力P沿圆周方向按Feurier级数展开，可得：

　　P=P+∑PK sin[K@- q7K) (1)

　　式中：P-作用在叶片上的汽流力按时间的平均值，∞一汽轮机转子旋转角速度，co=2Ilns，K-激振力阶次，对高频激振力K=l，对低频激振力K=l，2，3--，Pt第足阶激振力幅值，q)K -第足阶激振力相角，而激振因子Sk=pjp。

　　影响激振因子的因素会有很多，如喷嘴尾缘厚度、动静轴向间隙及喷嘴喉宽节距制造偏差都是其重要因素。喷嘴尾缘厚度增大则激振因子也随之增大，但随动静轴向间隙的变化激振因子却不定论，随着间隙增大激振因子会先增大后减小，因此喷嘴结构参数的选取很重要。喷嘴喉宽节距制造偏差的分布形式会在很大程度上影响激振因子的分布，因此在合理范围内控制其制造误差也非常重要。

　　二、关于叶片的阻尼特性方面

　　为了提高叶片的安全性，在设计时我们可以增加叶片的阻尼从而降低叶片的动应力。设计时在叶片上采用合适的结构增加叶片的阻尼是提高叶片强度的有效方法，目前已被国内外多家汽轮机制造厂家广泛采用。为了提高叶片抵抗振动疲劳的能力，各汽轮机制造厂家在叶片上，尤其在中长叶片上广泛采用了阻尼围带以及各种拉筋型式如松拉筋，凸台拉筋等结构，这样可以减少叶片所受的振动应力。总结来说，叶片所受阻尼主要有材料阻尼、摩擦阻尼、气动阻尼和撞击阻尼这四种。这四种叶片阻尼中，摩擦阻尼和撞击阻尼均属于结构阻尼，也是目前各汽轮机厂家常用的增加叶片阻尼的手段。

　　(一)利用干摩擦增加叶片阻尼是目前各厂家广泛应用的手段之一。它的主要优点是不受温度限制，结构相对简单且效率较高。常用的干摩擦结构有阻尼拉筋、阻尼围带以及缘板阻尼块等等。阻尼围带分为装配围带和自带围带，一般来说，装配好的叶片静态时相邻围带间有一初装间隙，汽轮机工作时由于扭转恢复力的作用使得相邻围带接触面相互贴紧，叶片振动时，接触面有相对滑移而耗散叶片的振动能量，降低振动应力。

　　(二)关于撞击阻尼，目前国内外对它的研究还相对较少，对它的减振原理和减振效果的'研究并不全面。然而在文献Ⅲ中作者武新华和李卫军却提出了一个极为新颖的自调谐撞击阻尼结构。它是在叶片的顶部安装一个小的球面腔室，在腔室中放置一个小钢球，当叶片旋转起来以后，小钢球会紧贴在腔室的球面上，叶片振动以后，小钢球可以通过撞击腔室的壁面来提供阻尼，其效果就如上文中所述的撞击阻尼围带一样，而该自调谐撞击阻尼结构中钢球在腔室内的振动频率与旋转速度成正比，所以可以通过计算合适的几何尺寸和设计合适的结构，从而可以在任意转速下都能为叶片提供良好的阻尼效果。

　　(三)对于摩擦减振的机理已有大量的学者进行了深入的研究，笔者不才认为还可以在以下两方面做更深一步的研究：(1)建立新的接触面正压力变化微动滑动摩擦模型;(2)对整圈叶片非线性系统求解办法进行优化。目前国内外对于碰撞阻尼的研究相对较少，对其机理还不是十分清晰，所以需要对其进行更多的研究，例如：(1)使得碰撞阻尼的数学模型更贴近实际，从而更好的指导阻尼结构的设计;(2)对碰撞阻尼结构的寿命问题进行深入研究：(3)尽量优化汽轮机叶片的碰撞阻尼结构。叶片损伤是汽轮机发生故障的主要原因之一。此外它们还会导致汽轮机长期停机，从而大大降低汽轮机的可用率。因此汽轮机叶片的重要性显而易见。激振因子和阻尼特性是影响叶片动应力的主要因素，影响激振因子和阻尼特性的因素有很多，但只要按规律办事，合理设计就能把影响尽量减至最小，从而提高汽轮机叶片运行的安全可靠性，延长汽轮机叶片的寿命，提高汽轮机的可用率。

　　参考文献：

　　[1]靳智平，电厂汽轮机原理及系统[M]，北京：中国电力出版社，2006.

　　[2]康松，杨建明，胥建群，汽轮机原理[M].北京：中国电力出版社，2004.

　　[3]翦天聪.汽轮机原理[M].北京：中国电力出版社，2004.

　　[4]武新华，李卫军，自带冠叶片冠间接触碰撞减振研究.汽轮机技术，2005，42(2):41-44.

　　[5]赵子辉，谢永惠，张狄，强彦.汽轮机叶片结构阻尼研究发展现状及展望，汽轮机技术，2008，50(1).