張永海,谷偉偉,薛朝囡,高 慶,楊長柱,盧中俊,寧 哲,居文平,
(1.西安熱工研究院有限公司,陜西 西安 710054;2.西安西熱節(jié)能技術(shù)有限公司,陜西 西安 710054;3.東方汽輪機(jī)有限公司,四川 德陽 618000)
隨著國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展和全國范圍內(nèi)用電結(jié)構(gòu)的變化,大容量發(fā)電機(jī)組仍舊擔(dān)負(fù)了國內(nèi)電網(wǎng)的主要負(fù)荷,也起到必不可少的重要作用。因此發(fā)展高參數(shù)、大容量、高效、環(huán)保型燃煤電站仍是火力發(fā)電技術(shù)的重要課題和發(fā)展方向,是國家節(jié)能減排戰(zhàn)略的關(guān)鍵組成部分。
汽輪機(jī)低壓末級葉片承受很大的負(fù)荷。開發(fā)更長的末級葉片是大幅降低汽輪機(jī)的排汽損失、提高汽輪機(jī)效率的有效途徑之一;同時(shí)更長的末級葉片可減小汽輪機(jī)軸系長度,有效降低電站建設(shè)成本。
隨著大容量、高參數(shù)機(jī)組的快速發(fā)展,低壓末級葉片面臨諸如葉片材料性能、安全性設(shè)計(jì)、葉片制造等諸多技術(shù)挑戰(zhàn)。受到葉片巨大的離心應(yīng)力和葉頂高圓周速度限制,鋼制全轉(zhuǎn)速葉片長度極限范圍在1 400 mm左右。為滿足低壓末級葉片葉根強(qiáng)度安全性要求并突破葉片鋼制材料強(qiáng)度限制,可采用鈦合金、碳化物或玻璃纖維等。鈦合金材料由于其具有強(qiáng)度高、耐疲勞性能和耐腐蝕性優(yōu)良等特點(diǎn),而成為目前末級超長葉片的首選材料。
長葉片設(shè)計(jì)開發(fā)是汽輪機(jī)關(guān)鍵的技術(shù)難點(diǎn)。開發(fā)高效率、高強(qiáng)度且安全可靠的汽輪機(jī)末級長葉片是發(fā)電領(lǐng)域一項(xiàng)重要的基礎(chǔ)研究工作,更是一項(xiàng)非常復(fù)雜的系統(tǒng)工程,其設(shè)計(jì)制造涉及流體力學(xué)、材料、制造工藝等多門科學(xué)和領(lǐng)域,開發(fā)制造周期漫長。因此,其設(shè)計(jì)制造水平標(biāo)志著一個(gè)國家汽輪機(jī)制造業(yè)的發(fā)展水平。在全球范圍內(nèi),受到汽輪機(jī)末級長葉片設(shè)計(jì)和制造的制約,掌握高參數(shù)、大容量發(fā)電汽輪機(jī)技術(shù)的制造廠商屈指可數(shù),長葉片設(shè)計(jì)開發(fā)更是各大汽輪機(jī)制造廠商最重要的、優(yōu)先研究方向和領(lǐng)域[1-5]。
汽輪機(jī)葉片空氣動(dòng)力學(xué)性能、加工形狀、表面粗糙度、間隙及運(yùn)行特點(diǎn)、結(jié)垢等因素影響汽輪機(jī)的效率和出力,而葉片振動(dòng)強(qiáng)度及運(yùn)行方式對汽輪機(jī)安全可靠性起著決定性影響[6-8]。整圈自鎖阻尼長葉片包含圍帶、拉筋及葉根等,其結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)復(fù)雜,使得長葉片數(shù)值分析接觸邊界處理較為困難,且接觸狀態(tài)下輪系動(dòng)頻率的數(shù)值模擬方法研究尚不完善,導(dǎo)致數(shù)值計(jì)算與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果存在偏差[9-10]。在長葉片最終的定型時(shí),仍舊需要誤差小、可靠性高的動(dòng)頻率測量試驗(yàn)來驗(yàn)證數(shù)值結(jié)果并決定葉片最終尺寸,因此汽輪機(jī)長葉片動(dòng)頻率測量試驗(yàn)一直被制造廠商和科研單位重視并普遍采用。王仲博[11]對汽輪機(jī)664 mm和685 mm葉片進(jìn)行了小容積流量下動(dòng)態(tài)特性實(shí)測試驗(yàn),并獲得了葉片動(dòng)頻率和動(dòng)應(yīng)力數(shù)據(jù);褚玉喜等[12]進(jìn)行了大功率空冷機(jī)組末三級動(dòng)葉片的設(shè)計(jì)開發(fā)及其動(dòng)頻率測量試驗(yàn);谷偉偉等[13]對880 mm葉片進(jìn)行了動(dòng)頻率測量及調(diào)頻試驗(yàn),獲得了該級葉片動(dòng)頻率數(shù)據(jù);龍倫等[14]進(jìn)行了某型帶冠渦輪葉片振動(dòng)特性及動(dòng)應(yīng)力測試,并研究了帶冠葉片激振力來源及動(dòng)應(yīng)力大小的影響因素;馬義良等[15]進(jìn)行了高阻尼末級長葉片動(dòng)頻率理論計(jì)算和分析,并對其動(dòng)頻率進(jìn)行了測量試驗(yàn);商宇等[16]對新開發(fā)的汽輪機(jī)1 200 mm末級動(dòng)葉片開展了葉片葉根強(qiáng)度和動(dòng)調(diào)頻試驗(yàn)。
1 450 mm鈦合金葉片存在鈦合金材料對缺口敏感、離心應(yīng)力高、系統(tǒng)質(zhì)量較大激振困難、測試信號復(fù)雜識別困難及引線固定工藝復(fù)雜等特點(diǎn)和問題,這為末級1 450 mm鈦合金長葉片動(dòng)頻率測試帶來了技術(shù)難題和挑戰(zhàn)。本文針對國內(nèi)某制造廠自主研制的目前國內(nèi)最長汽輪機(jī)低壓末級全轉(zhuǎn)速1 450 mm鈦合金葉片,進(jìn)行了鈦合金點(diǎn)焊工藝、超長葉片激振方式、應(yīng)變片布置選位及振動(dòng)信號識別等技術(shù)研究,對全轉(zhuǎn)速1 450 mm鈦合金長葉片動(dòng)頻率測試技術(shù)進(jìn)行了研究,并成功進(jìn)行了實(shí)際調(diào)頻試驗(yàn)。該試驗(yàn)研究對汽輪機(jī)長葉片開發(fā)設(shè)計(jì)和動(dòng)頻率測試技術(shù)研究都具有借鑒意義和實(shí)用價(jià)值。
國內(nèi)某制造廠新研制了適用于超超臨界全轉(zhuǎn)速大容量1 200~1 300 MW等級超低背壓汽輪機(jī)末級1 450 mm鈦合金超長葉片。該葉片采用阻尼凸臺拉筋、自帶冠結(jié)構(gòu),隨著轉(zhuǎn)速增加葉片圍帶間、拉筋間先后自動(dòng)接觸,最終形成整圈全自鎖結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。
表1 1 450 mm鈦合金葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Structural parameters of the 1 450 mm titanium alloy blade
動(dòng)頻率試驗(yàn)是汽輪機(jī)葉片設(shè)計(jì)開發(fā)中必不可少且至關(guān)重要的一環(huán)。葉片設(shè)計(jì)定型、運(yùn)行安全性及可靠性等都需要利用動(dòng)頻率測量試驗(yàn)來提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)并驗(yàn)證。
工作狀態(tài)下汽輪機(jī)葉片受離心應(yīng)力和復(fù)雜蒸汽激振力的共同作用。蒸汽激振力通常分為高頻激振力和低頻激振力2類。高頻激振力是由噴嘴尾跡引起的,噴嘴出口流速沿圓周向分布不均。由于尾跡區(qū)作用力比主流區(qū)小,所以動(dòng)葉片每經(jīng)過1個(gè)噴嘴片受到1次擾動(dòng)。汽輪機(jī)低壓末級長葉片固有頻率一般遠(yuǎn)低于高頻激振力頻率(2 000~7 000 Hz),因此長葉片調(diào)頻試驗(yàn)主要是使其動(dòng)頻率避開與轉(zhuǎn)速有關(guān)的低頻激振力頻率。
根據(jù)整圈葉片三重點(diǎn)振動(dòng)理論,對于全周連接的(葉片組)葉片,在滿足式(1)所示條件時(shí),會激發(fā)葉片葉輪系統(tǒng)的“三重點(diǎn)”共振[17]。
式中:fdm為節(jié)徑數(shù)m時(shí)葉片的動(dòng)頻率,Hz;k為激振諧波階次;m為整圈葉片振動(dòng)節(jié)徑數(shù);n為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速,r/min。
為使汽輪機(jī)整圈自鎖阻尼葉片避開運(yùn)行條件下的“三重點(diǎn)”共振頻率范圍,凡能夠影響葉片固有頻率的因素,如葉片圍帶徑向或軸向尺寸、拉筋尺寸、型線、質(zhì)量及葉根安裝狀況等,都可作為葉片調(diào)頻試驗(yàn)手段??梢酝ㄟ^調(diào)整葉片質(zhì)量或葉片圍帶、拉筋或葉根處的接觸狀況而改變?nèi)~片固有頻率。按照設(shè)計(jì)要求,運(yùn)行過程中由于離心應(yīng)力作用,長葉片葉根和葉輪槽處于緊固狀態(tài),除了制造加工及裝配工藝影響,葉片安裝狀態(tài)可調(diào)整的余地較??;調(diào)整葉片拉筋大小或其相互之間的接觸面積,需重新拆卸和安裝葉片,程序繁雜而難度較大,易損壞葉片,且拉筋對葉片2階以上頻率影響更為有效,該方法不宜在工業(yè)生產(chǎn)中采用。因此,在實(shí)際生產(chǎn)中廣泛采用的調(diào)頻方法是調(diào)整葉片圍帶徑向或軸向尺寸而改變?nèi)~片剛度和質(zhì)量,從而改變?nèi)~片固有頻率。
根據(jù)制造廠設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和數(shù)值計(jì)算結(jié)果要求,在試驗(yàn)開始前,1 450 mm鈦合金葉片的圍帶結(jié)構(gòu)尺寸數(shù)據(jù)與最終設(shè)計(jì)數(shù)值相比預(yù)留有一定的余量,以便進(jìn)行調(diào)頻試驗(yàn)。在完成單次動(dòng)頻率測量試驗(yàn)后,由試驗(yàn)數(shù)據(jù)和數(shù)值計(jì)算結(jié)果決定葉片圍帶車削量,經(jīng)多次試驗(yàn)及葉片圍帶車削后可以得到最終的圍帶結(jié)構(gòu)尺寸數(shù)據(jù)以實(shí)現(xiàn)調(diào)頻的目的,并保證葉片投運(yùn)后的振動(dòng)安全。
本文在葉片動(dòng)頻率測試中采用無線電測試方法,測量系統(tǒng)主要包括電阻絲應(yīng)變片、微型發(fā)射機(jī)、電池、發(fā)射天線、同軸電纜、接收機(jī)、數(shù)據(jù)采集記錄儀及FFT分析儀等。測試儀器系統(tǒng)如圖1所示。
圖1 無線電測試系統(tǒng)Fig.1 Schematic diagram of the radio telemetry system
汽輪機(jī)整圈連接葉片動(dòng)頻率測量試驗(yàn)在高速動(dòng)平衡臺上進(jìn)行,在轉(zhuǎn)子系統(tǒng)升速或降速過程中測量葉片的共振動(dòng)頻率。具體測量方法為:在轉(zhuǎn)速變化過程中,利用高壓氮?dú)饣驂嚎s空氣沖擊葉片,產(chǎn)生的持續(xù)激振力迫使葉片和應(yīng)變片振動(dòng)而變形;應(yīng)變片阻值和發(fā)射系統(tǒng)電路電流發(fā)生變化,經(jīng)過電路中微型發(fā)射器調(diào)制信號并發(fā)射;接收裝置將無線信號接收并解調(diào)還原分析,從而得到一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)各個(gè)最大共振響應(yīng)點(diǎn)時(shí)葉片各階次的固有頻率及其對應(yīng)的轉(zhuǎn)速數(shù)值。
本文試驗(yàn)中設(shè)計(jì)安裝了1套有1只固定噴嘴的管路系統(tǒng)。通過控制閥門的開關(guān),可導(dǎo)入壓縮空氣激振葉片,以便激勵(lì)出葉片“三重點(diǎn)”共振信號。試驗(yàn)過程中,保持動(dòng)平衡室倉體內(nèi)部溫度不超過80 ℃,使葉片所在的試驗(yàn)溫度更接近真實(shí)機(jī)組低壓末級葉片運(yùn)行溫度,保證試驗(yàn)測量的動(dòng)頻率與運(yùn)行環(huán)境下葉片固有頻率相一致,這一頻率更有利于葉片長期運(yùn)行安全。
對全轉(zhuǎn)速1 450 mm鈦合金超長葉片進(jìn)行動(dòng)頻率測試,存在鈦合金材料對缺口過渡敏感、費(fèi)用昂貴、超長葉片高離心應(yīng)力大、超長葉片測點(diǎn)布置困難及葉片激振困難等技術(shù)問題,給動(dòng)頻率測試帶來更多的難題和挑戰(zhàn),需要對現(xiàn)有的動(dòng)頻率測試系統(tǒng)及其工藝進(jìn)行升級和改進(jìn)研究,以滿足全轉(zhuǎn)速1 450 mm鈦合金超長葉片動(dòng)頻率測量試驗(yàn)的特殊情況。
本文針對1 450 mm鈦合金超長葉片動(dòng)頻率測試存在的問題及現(xiàn)有的動(dòng)頻率測試系統(tǒng)情況,對如下新技術(shù)和工藝進(jìn)行研究分析。
1)對超長鈦合金、復(fù)雜連接結(jié)構(gòu)葉片不同節(jié)徑高階動(dòng)頻率的繁雜測試信號進(jìn)行持續(xù)識別和處理技術(shù)進(jìn)行研究,并在試驗(yàn)過程中采取了全譜監(jiān)視和記錄葉片振動(dòng)信號,可以實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)超長葉片動(dòng)頻率測試數(shù)據(jù)詳細(xì)識別分析和記錄,避免“三重點(diǎn)”共振信號遺漏,保證了分析結(jié)果準(zhǔn)確,并確保試驗(yàn)葉片精準(zhǔn)定型。
2)針對國內(nèi)最長的全轉(zhuǎn)速汽輪機(jī)低壓末級1 450 mm鈦合金葉片,開展應(yīng)變片不同布置對鈦合金超長葉片動(dòng)頻率測試結(jié)果影響研究,開發(fā)了針對該種連接結(jié)構(gòu)葉片創(chuàng)新性的應(yīng)變片布置技術(shù),并在1 450 mm鈦合金葉片動(dòng)頻率試驗(yàn)中采用了應(yīng)變片高低位交錯(cuò)布置方式。
3)針對鈦合金超長葉片系統(tǒng)質(zhì)量較大,研究了激振噴嘴在不同激振角度、激振位置和激振力大小等情況下對鈦合金長葉片動(dòng)頻率測量效果的影響規(guī)律,開發(fā)了大剛性高轉(zhuǎn)速條件下超長葉片激振技術(shù),解決了動(dòng)態(tài)下長葉片系統(tǒng)激振困難問題,避免試驗(yàn)過程中由于復(fù)雜連接結(jié)構(gòu)長葉片不同節(jié)徑高階動(dòng)頻率的繁雜測試信號響應(yīng)小而被基頻信號掩蓋而無法識別分析,將會造成試驗(yàn)葉片無法精準(zhǔn)調(diào)頻并為以后長期運(yùn)行埋下安全隱患。
4)針對鈦合金材料對缺口敏感性問題,開展了點(diǎn)焊機(jī)功率大小、鈦合金鋼皮厚度對鈦合金基體表面損傷程度的影響試驗(yàn)研究,解決了在點(diǎn)焊機(jī)一定功率下點(diǎn)焊鈦合金鋼皮的焊接工藝技術(shù),鈦合金葉片布線固定工藝以及在高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下持續(xù)、可靠的拾取、傳輸葉片實(shí)時(shí)振動(dòng)信號并進(jìn)行實(shí)時(shí)分析的技術(shù)難題。
點(diǎn)焊機(jī)在特定功率時(shí)可以將鈦合金薄皮熱熔接在鈦合金葉片上,而不會傷及鈦合金葉片的表面和內(nèi)部結(jié)構(gòu),避免鈦合金葉片表面損傷而留下安全隱患,確保鈦合金葉片投產(chǎn)后長期的安全運(yùn)行。
5)開展了304不銹鋼、鈦合金與鈦合金基體葉片及葉輪的點(diǎn)焊固定工藝測試研究,采取在葉輪、鈦合金葉片上分別用304不銹鋼和鈦合金薄皮點(diǎn)焊固定和保護(hù)試驗(yàn)信號線,解決焊接后鈦合金基體存在輕微的熔斑及試驗(yàn)過程中信號線脫落問題,保證了試驗(yàn)順利完成。
試驗(yàn)前嚴(yán)格按照工藝要求粘貼應(yīng)變片和布線。圖2為本文試驗(yàn)的測點(diǎn)及布線。用脫脂棉分別蘸丙酮和工業(yè)酒精對葉片的粘貼應(yīng)變片部位和布線區(qū)域進(jìn)行葉片表面清潔處理。信號引線用不銹鋼或鈦合金卡子點(diǎn)焊定位、涂膠、固化,以防止引線因?yàn)楦咚傩D(zhuǎn)產(chǎn)生離心力及葉片鼓風(fēng)作用而脫落。
圖2 測點(diǎn)及布線Fig.2 The measuring points and wiring
試驗(yàn)前安裝并調(diào)整噴嘴支架系統(tǒng)及接收天線環(huán),調(diào)試數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng),接通各個(gè)發(fā)射機(jī)電路電源,通過自振法進(jìn)行靜態(tài)信號接收測試,確保各個(gè)系統(tǒng)正常工作。
采用本文測試技術(shù),在高速平衡試驗(yàn)平臺上對1 450 mm鈦合金長葉片動(dòng)頻率進(jìn)行測量和調(diào)頻試驗(yàn)。
為消除葉片裝配過程中造成的圍帶和拉筋接觸面接觸不穩(wěn)定的影響以使葉片狀態(tài)更接近運(yùn)行工況,同時(shí)排除試驗(yàn)中其他偶然因素帶來的干擾,確保本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)真實(shí)無誤。在第1次試驗(yàn)完成后試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示,1 450 mm鈦合金長葉片動(dòng)頻率數(shù)值在2 820~3 090 r/min 區(qū)間內(nèi)不存在“三重點(diǎn)”共振點(diǎn),未對葉片圍帶繼續(xù)加工。
試驗(yàn)最高轉(zhuǎn)速為3 200 r/min,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速升速到最高轉(zhuǎn)速后,在降速過程中開啟壓縮空氣系統(tǒng)對葉片進(jìn)行激振試驗(yàn),同時(shí)對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和分析。
試驗(yàn)測得設(shè)計(jì)尺寸下整圈1 450 mm鈦合金葉片1—4階的“三重點(diǎn)”共振頻率及共振轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù),見表2。圖3為試驗(yàn)測得的整圈1 450 mm鈦合金葉片坎貝爾圖。其1階第3節(jié)徑響應(yīng)圖如圖4所示。由圖3可知,1階m=3節(jié)徑的共振轉(zhuǎn)速約為2 367 r/min,2階m=6節(jié)徑的共振轉(zhuǎn)速約為2 642 r/min,3階m=7節(jié)徑的共振轉(zhuǎn)速約為2 564 r/min,4階m=8節(jié)徑的共振轉(zhuǎn)速約為3 112 r/min。
表2 1 450 mm鈦合金葉片“三重點(diǎn)”共振頻率和共振轉(zhuǎn)速Tab.2 The “3-coincide point” resonance frequency and resonance speed of the 1 450 mm titanium alloy blade
圖3 整圈1 450 mm鈦合金葉片坎貝爾圖Fig.3 Campbell diagram of the 1 450 mm titanium alloy blade in full circle
圖4 1 450 mm鈦合金葉片第1階第3節(jié)徑響應(yīng)Fig.4 The diameter response diagram of the 1st stage 3rd pitch of the 1 450 mm Titanium alloy blade
測試過程中,1 450 mm鈦合金葉片的1階m=3節(jié)徑“三重點(diǎn)”共振轉(zhuǎn)速出現(xiàn)了2次,而測得了相對應(yīng)的2個(gè)不同動(dòng)頻率值,分別約為84 Hz和118 Hz,且2—4階節(jié)徑數(shù)m=7~9的“三重點(diǎn)”共振轉(zhuǎn)速均重復(fù)出現(xiàn)。這說明在此轉(zhuǎn)速范圍內(nèi),葉片圍帶和拉筋是逐漸貼合并形成整圈結(jié)構(gòu),表明了試驗(yàn)條件下葉片圍帶、拉筋貼合試驗(yàn)轉(zhuǎn)速范圍約為1 650~1 900 r/min,2 000 r/min以上時(shí)該級葉片已為整圈連接。在3 200 r/min以下范圍內(nèi)未出現(xiàn)一階m=2節(jié)徑的共振轉(zhuǎn)速,說明該“三重點(diǎn)”共振轉(zhuǎn)速已高于3 200 r/min以上。
根據(jù)目前國內(nèi)電網(wǎng)周波47.5~51.5 Hz實(shí)際運(yùn)行情況,并參照相關(guān)的汽輪機(jī)葉片評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[18-19],本次試驗(yàn)考核了1 450 mm鈦合金葉片在2 820~3 090 r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)不存在1—4階節(jié)徑數(shù)m不大于8的“三重點(diǎn)”共振情況。試驗(yàn)結(jié)果表明,1 450 mm鈦合金葉片調(diào)頻合格,1 450 mm鈦合金葉片在運(yùn)行周波內(nèi)具有良好的振動(dòng)安全性能。
本文通過汽輪機(jī)長葉片動(dòng)頻率測試技術(shù)開發(fā)研究,完成了全轉(zhuǎn)速汽輪機(jī)低壓末級1 450 mm鈦合金超長葉片動(dòng)頻率測試,獲得了試驗(yàn)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)其各個(gè)響應(yīng)最大點(diǎn)的轉(zhuǎn)速和動(dòng)頻率數(shù)值,完成了該葉片的調(diào)頻試驗(yàn)。結(jié)論如下。
1)開發(fā)了超長全轉(zhuǎn)速葉片動(dòng)頻率測試技術(shù),完成了全轉(zhuǎn)速汽輪機(jī)低壓末級1 450 mm鈦合金葉片動(dòng)頻率測試。
2)全轉(zhuǎn)速汽輪機(jī)低壓末級1 450mm鈦合金葉片動(dòng)頻率測試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠,在2 820~3 090 r/min區(qū)間內(nèi)不存在1—4階節(jié)徑數(shù)m≤8的“三重點(diǎn)”共振點(diǎn),滿足調(diào)頻規(guī)范要求。
3)由試驗(yàn)過程及試驗(yàn)結(jié)果可知,長葉片連接結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,其數(shù)值計(jì)算動(dòng)頻率與試驗(yàn)結(jié)果仍有一定的偏差。
4)本試驗(yàn)研究解決了鈦合金材料缺口敏感性、異種金屬材料點(diǎn)焊工藝、超長葉片高離心應(yīng)力測點(diǎn)粘貼及布線、超長葉片系統(tǒng)激振等關(guān)鍵技術(shù)問題。