汽輪機(jī)失諧葉盤局部化振動(dòng)試驗(yàn)研究

趙英凱 ，潘宏剛 ，陳尚年 ，張新虹 ，李思萱 ，于光佐

（1.沈陽(yáng)工程學(xué)院 能源與動(dòng)力學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110136；2.山西魯能河曲發(fā)電有限公司，山西 河曲 036509）

汽輪機(jī)葉片因共振或高周疲勞而導(dǎo)致的斷裂失效是汽輪機(jī)系統(tǒng)常見(jiàn)的重大故障之一［1］。為了減少這種故障，汽輪機(jī)的葉盤系統(tǒng)常被設(shè)計(jì)為諧調(diào)的,葉盤結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)循環(huán)對(duì)稱結(jié)構(gòu)。作用在葉片上的振動(dòng)激勵(lì)在一定的頻率范圍內(nèi)會(huì)沿著圓周方向均勻傳遞。但是由于葉片受到加工、運(yùn)行磨損、材料性質(zhì)等因素的影響,葉片間的性質(zhì)均存在較小的差異,即失諧。葉盤系統(tǒng)的循環(huán)對(duì)稱結(jié)構(gòu)被失諧破壞了,而其動(dòng)力特性也會(huì)受到很大的變化［2］。由磨損和使用引起的隨機(jī)失諧會(huì)導(dǎo)致振動(dòng)局部化，降低其使用壽命和安全性。為此，通過(guò)對(duì)汽輪機(jī)葉片和葉盤系統(tǒng)的振動(dòng)進(jìn)行試驗(yàn)研究，可以為汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)分析以及設(shè)計(jì)制造提供更有效的依據(jù)和參考數(shù)據(jù)。

目前，人們已采用多種形式的力學(xué)模型進(jìn)行葉片-輪盤結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的分析：集中參數(shù)模型［3］是分析葉輪結(jié)構(gòu)系統(tǒng)最常用的模型，在這個(gè)模型中，每個(gè)葉輪片段由連接到基礎(chǔ)的單自由度或多自由度彈簧質(zhì)量集中參數(shù)振蕩器表示。每個(gè)振動(dòng)器通過(guò)無(wú)質(zhì)量彈簧連接以模擬葉片之間的空間相互耦合，振動(dòng)器之間的耦合主要是單自由度的，而振動(dòng)器本身具有單一自由度、兩個(gè)自由度和多個(gè)自由度等多種形式。為了提高機(jī)械模型的模擬精度，許多學(xué)者使用梁和板等連續(xù)參數(shù)描述的結(jié)構(gòu)元素來(lái)模擬葉片和輪盤，這種模型被稱為連續(xù)參數(shù)模型；張宏遠(yuǎn)［4］等針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)葉盤系統(tǒng)有限元模型，采用子結(jié)構(gòu)模態(tài)綜合法，引入相對(duì)振動(dòng)局部化因子，分析不同失諧標(biāo)準(zhǔn)差下失諧葉盤系統(tǒng)的振動(dòng)響應(yīng)局部化特性，得出激勵(lì)階次對(duì)失諧葉盤系統(tǒng)頻率、位移和應(yīng)變能分布影響，相對(duì)局部化因子呈現(xiàn)先增大再減小的趨勢(shì)。在Kaza和Kielb［5］的研究中，輪盤和葉片被用來(lái)模擬相同的圓板厚度，并使用彈性梁來(lái)模擬葉片；Rzadkowski［6］使用一個(gè)梁來(lái)模擬葉片，考慮了剪切變形、旋轉(zhuǎn)慣性、葉片的預(yù)彎和離心效應(yīng)（聚集效應(yīng)的影響）；Turcotte［7］等人使用具有結(jié)構(gòu)阻尼的Euler-Bernoulli梁來(lái)模擬葉片，并且在根部使用彈簧連接來(lái)考慮葉片之間的耦合；Xie和Ariaratnam［8］具有相似的特征，其中模態(tài)積分法用于研究單模態(tài)和多模態(tài)下相應(yīng)葉片的對(duì)應(yīng)方法。潘宏剛［9］等基于共振法原理，對(duì)汽輪機(jī)模擬葉輪進(jìn)行調(diào)頻激振，以布置于葉輪上的細(xì)沙表示模擬葉輪振型的模態(tài)測(cè)試實(shí)驗(yàn)分析方法，將實(shí)驗(yàn)振型與解析計(jì)算和有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)可靠性。章永強(qiáng)［10］提出利用有限元方法建立“真實(shí)磁盤系統(tǒng)”分析模型，每個(gè)葉片-輪盤部分被視為一個(gè)二維有限元子結(jié)構(gòu)模型，采用模態(tài)綜合法

建立整體結(jié)構(gòu)的有限元模型，建立一個(gè)小參數(shù)方法使用特征值組，對(duì)振動(dòng)模式定位問(wèn)題進(jìn)行了分析；為了改善大規(guī)模有限元模型的弱點(diǎn)并簡(jiǎn)化計(jì)算，Yang和Griffen［11］提出了一個(gè)類似的動(dòng)態(tài)子結(jié)構(gòu)模型，解決了霧化葉片系統(tǒng)的內(nèi)在特性和穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。

綜上所述，目前的研究主要是將整個(gè)葉片-輪盤結(jié)構(gòu)分解成兩個(gè)子結(jié)構(gòu)，即輪部分和葉片部分。葉片的振動(dòng)被認(rèn)為是由根部振動(dòng)引起的剛體的振動(dòng)，而葉片是固定在根部的懸臂梁。這兩種振動(dòng)的總和通過(guò)動(dòng)態(tài)子結(jié)構(gòu)的原理被減小，從而達(dá)到減小模型尺寸和高仿真精度的目的。前者是應(yīng)用傳遞函數(shù)方法描述葉片結(jié)構(gòu)和葉輪結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性，后者則是利用三維有限元模型計(jì)算葉片的振動(dòng)模態(tài)［12］。本文以諧振法原理為基礎(chǔ)，搭建了輪盤振型測(cè)試試驗(yàn)裝置，設(shè)置不同失諧工況，通過(guò)不同激勵(lì)進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)量，得出失諧葉盤系統(tǒng)的局部振動(dòng)規(guī)律。

1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

利用諧振法原理，建立失諧葉盤局部化振動(dòng)試驗(yàn)裝置，如圖1所示。試驗(yàn)裝置主要由模擬葉輪、激振器、功率放大器、信號(hào)發(fā)生器、顆粒直徑小于1 mm的細(xì)沙等組成。激勵(lì)信號(hào)由信號(hào)發(fā)生器經(jīng)功率放大器放大后通過(guò)激振器作用于模擬葉輪上，葉輪被激振器激勵(lì)后發(fā)生不同頻率的振動(dòng)，在模擬葉輪上均勻的散上粒徑為0.5 mm的細(xì)沙。信號(hào)發(fā)生器的輸出功率可調(diào)，以控制葉輪的激勵(lì)頻率。激振器采用非接觸方式的電磁式激振器，安裝間隙為5 mm，以不同頻率激發(fā)模擬葉輪振動(dòng)，當(dāng)模擬葉輪發(fā)生共振時(shí)，模態(tài)形狀可以直觀地由均勻排列在模擬葉輪上的細(xì)沙表示。葉盤系統(tǒng)的失諧通過(guò)在葉輪上不同位置加裝不同質(zhì)量的磁鐵來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖1 失諧葉盤局部化振動(dòng)試驗(yàn)裝置

2 局部化振動(dòng)試驗(yàn)

試驗(yàn)所采用的模擬葉輪是按照600 MW火電機(jī)組末級(jí)葉輪的尺寸等比例縮小加工的，外徑為500 mm，內(nèi)徑為50 mm，厚度為10 mm，外緣10 mm處厚度為14mm的軸對(duì)稱圓盤系統(tǒng)。將模擬葉盤進(jìn)行刻度劃分，沿圓周方向均勻劃分8等份，每個(gè)區(qū)間的夾角為45°，同時(shí)以半徑Ra=105.6 mm、Rb=210 mm、Rc=250 mm為界限將輪盤劃分3個(gè)區(qū)間，如圖2所示。對(duì)圓與直線的交點(diǎn)進(jìn)行編號(hào)，輪盤外圓編號(hào)為 C1、C2、……、C8，中間圓的編號(hào)為 B1、B2、……、B8，輪盤中心圓的編號(hào)為A1、A2、……、A8。本文以外圓C點(diǎn)失諧為研究對(duì)象進(jìn)行失諧葉盤系統(tǒng)局部化振動(dòng)測(cè)量與分析。

圖2 模擬輪盤刻度劃分

輪盤刻度劃分好以后，將輪盤裝回到試驗(yàn)臺(tái)架上，確保輪盤水平，將輪盤緊緊固定。將細(xì)沙均勻的鋪灑在模擬輪盤上，接通電源，依次開(kāi)啟功率放大器、信號(hào)發(fā)生器，對(duì)功率放大器進(jìn)行預(yù)熱5 min左右。預(yù)熱完畢，將功率放大器的增益旋鈕調(diào)到合適位置，先不添加磁鐵，測(cè)出節(jié)線數(shù)n=2和n=3時(shí)的頻率，首先測(cè)量出葉盤系統(tǒng)在協(xié)調(diào)狀態(tài)下各階振型及頻率大小，然后在輪盤不同位置加上不同質(zhì)量的磁鐵來(lái)模擬葉輪失諧狀態(tài)，并進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

在C2處放一個(gè)質(zhì)量為4.67 g的小磁鐵，測(cè)量其發(fā)生共振時(shí)的頻率變化。在C4和C7處分別放4.67 g的小磁鐵，然后在同一位置加同等質(zhì)量的小磁鐵，測(cè)量其共振頻率，一共加6個(gè)，得出7組數(shù)據(jù)。在C2、C4、C7位置再分別添加一個(gè)質(zhì)量為51.55 g的磁鐵，觀察沙型的變化并測(cè)量共振頻率。按照上述方法，對(duì)節(jié)線數(shù)n=2和n=3時(shí)的沙型和頻率進(jìn)行測(cè)量，并記錄數(shù)據(jù)。

3.1 節(jié)線數(shù)n=2時(shí)的頻率及沙型變化

當(dāng)磁鐵質(zhì)量為4.67 g，在C2、C4、C7位置，失諧葉盤共振頻率隨質(zhì)量的變化如表1所示，對(duì)應(yīng)的曲線如圖3所示。

圖3 不同位置處，磁鐵質(zhì)量為m=4.67 g，節(jié)線數(shù)n=2時(shí)輪盤共振頻率

表1 不同位置處，磁鐵質(zhì)量為m=4.67 g，節(jié)線數(shù)n=2時(shí)輪盤共振頻率

當(dāng)磁鐵質(zhì)量為 51.55 g，在 C2、C4、C7位置，失諧葉盤共振頻率隨質(zhì)量的變化如表2所示，對(duì)應(yīng)的曲線如圖4所示。

表2 不同位置處，磁鐵質(zhì)量為m=51.55 g，節(jié)線數(shù)n=2時(shí)輪盤共振頻率

圖4 不同位置處，磁鐵質(zhì)量為m=51.55 g，節(jié)線數(shù)n=2時(shí)輪盤共振頻率

由表1和表2的數(shù)據(jù)及圖3和圖4分析可知，在節(jié)線數(shù)n=2時(shí)，對(duì)于同一位置，隨著磁鐵個(gè)數(shù)的增加（即失諧量的增加），輪盤的共振頻率總體減小；當(dāng)所加磁鐵質(zhì)量達(dá)到某一數(shù)值時(shí)，輪盤上的沙型開(kāi)始發(fā)生明顯變化，不再完全對(duì)稱，而是向某一方向振動(dòng)區(qū)域縮小，這說(shuō)明輪盤的振動(dòng)在局部發(fā)生了改變，如圖5所示。

3.2 節(jié)線數(shù)n=3時(shí)的頻率及沙型變化

當(dāng)添加磁鐵質(zhì)量為 4.67 g 時(shí)，在 C2、C4、C7位置，失諧葉盤共振頻率隨質(zhì)量的變化如表3所示，對(duì)應(yīng)的曲線如圖6所示。

圖5 n=2時(shí)發(fā)生嚴(yán)重失諧的沙型

圖6 不同位置處，磁鐵質(zhì)量為m=4.67 g，節(jié)線數(shù)n=3時(shí)輪盤共振頻率

表3 不同位置處，磁鐵質(zhì)量為m=4.67 g，節(jié)線數(shù)n=3時(shí)輪盤共振頻率

當(dāng)添加磁鐵質(zhì)量為51.55 g時(shí)，在 C2、C4、C7位置，失諧葉盤共振頻率隨質(zhì)量的變化如表4所示，對(duì)應(yīng)的曲線如圖7所示。

表4 不同位置處，磁鐵質(zhì)量為m=51.55 g，節(jié)線數(shù)n=3時(shí)輪盤共振頻率

圖7 不同位置處，磁鐵質(zhì)量為m=51.55 g，節(jié)線數(shù)n=3時(shí)輪盤共振頻率

由表3和表4的數(shù)據(jù)及圖6和圖7分析可知，在節(jié)線數(shù)n=3時(shí)，對(duì)于同一位置隨著磁鐵質(zhì)量的增加，共振頻率的改變量較節(jié)線數(shù)n=2時(shí)明顯，且質(zhì)量越大，失諧量越大，沙型的變化越明顯，如圖8所示。而在磁鐵質(zhì)量為m=51.55 g時(shí)，在某一失諧量范圍內(nèi)，隨著小磁鐵質(zhì)量的增加，頻率呈線性下降，在個(gè)別位置，也會(huì)出現(xiàn)質(zhì)量的增加不僅改變其共振頻率，也改變其沙型的表現(xiàn)。

圖8 n=3時(shí)發(fā)生嚴(yán)重失諧的沙型

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果的分析可知失諧葉盤系統(tǒng)振動(dòng)得變化是有一定規(guī)律的：

1）隨著小磁鐵質(zhì)量的增加，其失諧葉盤的固有頻率呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，且當(dāng)其失諧量足夠大時(shí)，輪盤上的沙型發(fā)生明顯的變化。

2）在節(jié)線數(shù)n=2時(shí)，某一側(cè)的振動(dòng)失諧變化最明顯，振動(dòng)區(qū)域發(fā)生改變；在節(jié)線數(shù)n=3時(shí)，在輪盤上的6條細(xì)沙線圖形明顯和諧調(diào)實(shí)驗(yàn)不同，都發(fā)生了彎曲。在小磁鐵的不同位置增加相同質(zhì)量的小磁鐵，其共振頻率和沙型也發(fā)生了改變。

3）當(dāng)模擬葉輪處在節(jié)線振動(dòng)狀態(tài)時(shí)，模擬葉輪對(duì)稱位置的振幅大小是一致的，所以在制造汽輪機(jī)的葉輪時(shí)，其平衡孔都是奇數(shù)個(gè)（5個(gè)或者7個(gè)），而非偶數(shù)個(gè)，避免因應(yīng)力集中導(dǎo)致葉輪裂紋及損壞。