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有關(guān)汽輪機葉片動應(yīng)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(zhuǎn)化成機械能的重要任務(wù)，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(qū)水滴沖蝕的共同作用。而在這其中，葉片所受的動應(yīng)力起著重要的作用。本文則對葉片動應(yīng)力的影響因素進行了簡單分析。
關(guān)鍵詞：葉片;動應(yīng)力;阻尼
汽輪機葉片葉片工作在高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速或濕蒸汽區(qū)等惡劣環(huán)境中，經(jīng)受離心力、蒸汽力、蒸汽激振力、腐蝕、和振動以及濕蒸汽區(qū)水滴沖蝕的共同作用，在加上難以避免的設(shè)計、制造、安裝質(zhì)鶯及運行工況、檢修工藝不佳等因素的影響，常會出現(xiàn)損壞，輕則引起汽輪機發(fā)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(guān)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(yīng)力對葉片的影響最大。葉片的工作環(huán)境是高溫、高速及粘性的流場，因此，常在各種激振源產(chǎn)生的低頻激振力和高頻激振力作用下產(chǎn)生強迫振動，從而造成動應(yīng)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(yīng)力大小的重要因素。
一、激振因子對葉片動應(yīng)力的影響
葉片在不均勻的流場中轉(zhuǎn)動時，受周期性的激振力作用產(chǎn)生受迫震動，現(xiàn)將此作用在葉片上的汽流激振力P沿圓周方向按Feurier級數(shù)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(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)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(jié)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(jié)構(gòu)參數(shù)的選取很重要。噴嘴喉寬節(jié)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(nèi)控制其制造誤差也非常重要。
二、關(guān)于葉片的阻尼特性方面
為了提高葉片的安全性，在設(shè)計時我們可以增加葉片的阻尼從而降低葉片的動應(yīng)力。設(shè)計時在葉片上采用合適的結(jié)構(gòu)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(nèi)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(jié)構(gòu)，這樣可以減少葉片所受的振動應(yīng)力。總結(jié)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(jié)構(gòu)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(yīng)用的手段之一。它的主要優(yōu)點是不受溫度限制，結(jié)構(gòu)相對簡單且效率較高。常用的干摩擦結(jié)構(gòu)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(tài)時相鄰圍帶間有一初裝間隙，汽輪機工作時由于扭轉(zhuǎn)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(yīng)力。
(二)關(guān)于撞擊阻尼，目前國內(nèi)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(wèi)軍卻提出了一個極為新穎的自調(diào)諧撞擊阻尼結(jié)構(gòu)。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(zhuǎn)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(diào)諧撞擊阻尼結(jié)構(gòu)中鋼球在腔室內(nèi)的振動頻率與旋轉(zhuǎn)速度成正比，所以可以通過計算合適的幾何尺寸和設(shè)計合適的結(jié)構(gòu)，從而可以在任意轉(zhuǎn)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(tǒng)求解辦法進行優(yōu)化。目前國內(nèi)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(shù)學模型更貼近實際，從而更好的指導阻尼結(jié)構(gòu)的設(shè)計;(2)對碰撞阻尼結(jié)構(gòu)的壽命問題進行深入研究：(3)盡量優(yōu)化汽輪機葉片的碰撞阻尼結(jié)構(gòu)。葉片損傷是汽輪機發(fā)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(yīng)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(guī)律辦事，合理設(shè)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：
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[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(wèi)軍，自帶冠葉片冠間接觸碰撞減振研究.汽輪機技術(shù)，2005，42(2):41-44.
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