汽輪機(jī)阻尼圍帶長(zhǎng)葉片振動(dòng)特性研究

【摘要】近年來(lái)，隨著重工業(yè)生產(chǎn)速度的加快和規(guī)模的擴(kuò)大，各種先進(jìn)的指導(dǎo)技術(shù)受到人們高度重視。為了更好的獲取阻尼圍帶葉片的振動(dòng)特性，提高汽輪機(jī)阻尼葉片的設(shè)計(jì)水平，工作人員采用了大量新技術(shù)、新理念對(duì)原來(lái)技術(shù)進(jìn)行了創(chuàng)新，并對(duì)這些技術(shù)做了深入研究。本文通過(guò)模型的方式對(duì)阻尼器葉片的動(dòng)力做了分析，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行了振動(dòng)特性研究，旨在為阻尼葉片設(shè)計(jì)者提供真實(shí)的參考資料。

【關(guān)鍵詞】汽輪機(jī)；阻尼葉片；振動(dòng)特性

葉片的安全一直牽掛著汽輪機(jī)工作人員，它是保證汽輪機(jī)運(yùn)行安全的關(guān)鍵。隨著汽輪機(jī)組功率的增加，葉片的長(zhǎng)度不斷增加，這也相應(yīng)的減少了葉片的剛性和耐久性，從而降低了抵抗動(dòng)力的能力?；谶@種情況，在目前工作中我們有必要對(duì)葉片的振動(dòng)特性進(jìn)行研究，以保證葉片的工作效率，提高葉片抵抗應(yīng)力的能力。

一、汽輪機(jī)阻尼葉片概述

1、概念

汽輪機(jī)葉片也被稱之為汽輪機(jī)換葉片，是汽輪機(jī)中動(dòng)靜葉片的總稱，通常都是由鋼片構(gòu)成的。汽輪機(jī)葉片在受到高溫、高壓的蒸汽作用下，工作量十分大且需要承受突出的彎矩力，高速運(yùn)轉(zhuǎn)的動(dòng)葉片還要承擔(dān)較高的離心力，因此在研究的過(guò)程中汽輪機(jī)葉片的振動(dòng)特性主要是以葉片應(yīng)力承受能力為主的。

2、汽輪機(jī)葉片的特點(diǎn)

汽輪機(jī)葉片在運(yùn)行中不僅要滿足離心力、彎矩力的要求，而且要能經(jīng)受化學(xué)腐蝕、水滴沖擊、電力腐蝕的特點(diǎn)，而且還要保證具備承擔(dān)激振力的特點(diǎn)。因此，葉片必須要滿足以下特征：首先，要具備足夠的室溫、高溫以及抗善變性能，其次要具備良好的抗震動(dòng)衰減性能；具備良好的組織穩(wěn)定性；具有良好的工藝。

3、汽輪機(jī)阻尼圍帶減震

葉片作為影響汽輪機(jī)運(yùn)行狀況的關(guān)鍵，其運(yùn)行是否安全直接關(guān)系到汽輪機(jī)的運(yùn)行效率和質(zhì)量，同時(shí)也關(guān)系到葉片的運(yùn)行壽命。近年來(lái)，隨著汽輪機(jī)組功率的不斷增加，葉片長(zhǎng)度顯著提升，相應(yīng)的降低和減少了葉片的剛性，這不僅使得葉片的運(yùn)行扭轉(zhuǎn)力度增加，也減小了葉片的應(yīng)力抵抗能力，使得葉片減震性受到考驗(yàn)。在這種情況下，葉片設(shè)計(jì)中對(duì)于減震性必須要高度重視。一般來(lái)說(shuō)，葉片的減震主要是因?yàn)閲鷰еg的接觸面摩擦力而產(chǎn)生的，因此在減震研究中重點(diǎn)應(yīng)當(dāng)置放在摩擦力的研究方面。在國(guó)外的研究中，眾多學(xué)者通過(guò)對(duì)葉片阻尼器進(jìn)行分析，建立了有關(guān)理論和使用效果。并且對(duì)于阻尼器的葉片已經(jīng)進(jìn)入到實(shí)際機(jī)組運(yùn)行當(dāng)中，所以在研究中對(duì)于振動(dòng)性能做了深入分析，從而合理的設(shè)計(jì)出了阻尼葉片，保證了汽輪機(jī)運(yùn)行安全性與可靠性。

二、阻尼圍帶葉片計(jì)算模型分析

1、計(jì)算模型

圖1是一個(gè)帶阻尼圍帶的長(zhǎng)葉片，這是汽輪機(jī)組構(gòu)成中最為常見(jiàn)的葉片之一，為了獲取更好、更充足的汽車性能，汽輪機(jī)中長(zhǎng)葉片通常都是采用沿著主軸成扭轉(zhuǎn)形狀，從而達(dá)到單元模型建設(shè)要求。在整個(gè)設(shè)計(jì)工作中，干摩擦阻尼矩陣與阻尼連接器之間的摩擦力是一種非線性的，它同阻尼器之間的振幅有著密切的關(guān)系，同樣在總體剛度相同的苴力鎮(zhèn)研究中，阻尼器之間的振幅需要給予高度重視。

通常情況下，在長(zhǎng)葉片的扭轉(zhuǎn)恢復(fù)力研究上，因?yàn)榻嵌冗^(guò)大，因此在計(jì)算的時(shí)候要同計(jì)算頻率、葉片響應(yīng)時(shí)間、葉片糾正位置等綜合研究，通過(guò)這些不同方面的研究來(lái)達(dá)到預(yù)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，從而獲得更多、更精確的計(jì)算數(shù)據(jù)。

2、力學(xué)模型

如圖1所示葉片，這種葉片在旋轉(zhuǎn)起來(lái)之后必然會(huì)形成一種向心力和離心力，同時(shí)這些應(yīng)力的產(chǎn)生造成葉片產(chǎn)生扭曲，并且使得相鄰葉片的阻尼發(fā)生了變化，甚至形成了一定的摩擦面。這里我們研究的過(guò)程中是以整體滑移作為處理模型，通過(guò)摩擦值的計(jì)算來(lái)分析應(yīng)力是否分布均勻，且在外力作用下對(duì)整個(gè)接觸面和變形點(diǎn)進(jìn)行研究，從而分析出汽輪機(jī)阻尼帶長(zhǎng)葉片的振動(dòng)性能，以有限元計(jì)算方式來(lái)求解最終的數(shù)據(jù)。

3、整圈阻尼葉片振動(dòng)特性分析的降階技術(shù)

普通情況下，葉片在安裝之中必然無(wú)法達(dá)到無(wú)間隙要求，多少會(huì)產(chǎn)生一定的間隙，汽輪機(jī)在這種條件下做勻速運(yùn)轉(zhuǎn)，如果轉(zhuǎn)速超過(guò)額定值之后，葉片之間必然會(huì)產(chǎn)生貼合，其振動(dòng)性能也就主線的表現(xiàn)了出來(lái)。如果說(shuō)，整個(gè)葉片是一個(gè)整體的話，那么計(jì)算資源分析上是一個(gè)非常不適合、不經(jīng)濟(jì)的，而且因?yàn)槿~片本身的對(duì)稱性和周期性，使得其自由度必然無(wú)法得到有效控制，因此采用傳遞計(jì)算方式就顯得格外重要，它能有效的計(jì)算出阻尼振動(dòng)性能和自由度。

4、阻尼圍帶葉片振動(dòng)特性分析

4.1 360mm阻尼葉片振動(dòng)特性分析

360mm葉片的結(jié)構(gòu)如圖所示，相鄰阻尼圍帶葉片通過(guò)葉片間的預(yù)扭力連成一圈。表1是葉片成圈振動(dòng)各節(jié)徑的1階頻率與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比，實(shí)驗(yàn)只獲得了兩個(gè)可以對(duì)比的數(shù)值，誤差分別為 0.99%和3.96%，可見(jiàn)本文模型的計(jì)算精度良好。

4.2 具有阻尼圍帶末級(jí)長(zhǎng)葉片振動(dòng)特性分析

本文采用上述模型對(duì)某阻尼圍帶末級(jí)長(zhǎng)葉片進(jìn)行了振動(dòng)頻率分析。該葉片的三維實(shí)體見(jiàn)圖1，葉片長(zhǎng)661mm，阻尼圍帶接觸面在切向具有兩個(gè)斜角，葉片安裝時(shí)圍帶之間存在間隙。在本圖中的經(jīng)理分析中，葉片截面是一個(gè)沿著軸線做扭曲運(yùn)動(dòng)的方式，其很明顯存在著扭轉(zhuǎn)恢復(fù)困難的特征，因此在工作中需要不斷的增加阻尼性能，但是其在葉片高度達(dá)到0.7之后卻又逐漸的減小。阻尼葉片的最大扭轉(zhuǎn)恢復(fù)角數(shù)值不到自由葉片的一半，說(shuō)明阻尼圍帶增大了葉片的剛性，并且限制了葉片的頂部位移。

三、結(jié)束語(yǔ)

建立的阻尼圍帶葉片靜動(dòng)力分析模型不僅可以用于阻尼圍帶葉片分析，也可推廣應(yīng)用于其它阻尼器（松拉金、凸臺(tái)拉金等）葉片的靜動(dòng)力特性分析，為阻尼葉片設(shè)計(jì)提供實(shí)用工具。該模型已經(jīng)作為阻尼葉片優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，相關(guān)的工作在進(jìn)一步完善之中。