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有關(guān)汽輪機(jī)葉片動(dòng)應(yīng)力的影響因素的分析論文
摘要：葉片在汽輪機(jī)中承擔(dān)著將蒸汽的熱能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能的重要任務(wù)，是汽輪機(jī)中最精細(xì)、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(dòng)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(dòng)應(yīng)力起著重要的作用。本文則對(duì)葉片動(dòng)應(yīng)力的影響因素進(jìn)行了簡(jiǎn)單分析。
關(guān)鍵詞：葉片;動(dòng)應(yīng)力;阻尼
汽輪機(jī)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(dòng)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(jì)、制造、安裝質(zhì)鶯及運(yùn)行工況、檢修工藝不佳等因素的影響，常會(huì)出現(xiàn)損壞，輕則引起汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組震動(dòng)，重則造成飛車事故。汽輪機(jī)葉片的安全可靠直接關(guān)系到汽輪機(jī)和整個(gè)電廠的安全，研究汽輪機(jī)葉片的安全可靠性，必須清楚葉片所受的作用力，而動(dòng)應(yīng)力對(duì)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(chǎng)，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(qiáng)迫振動(dòng)，從而造成動(dòng)應(yīng)力過(guò)大，導(dǎo)致葉片損壞。而激振因子和葉片阻尼特性是決定動(dòng)應(yīng)力大小的重要因素。
一、激振因子對(duì)葉片動(dòng)應(yīng)力的影響
葉片在不均勻的流場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，受周期性的激振力作用產(chǎn)生受迫震動(dòng)，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(jí)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(shí)間的平均值，∞一汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角速度，co=2Ilns，K-激振力階次，對(duì)高頻激振力K=l，對(duì)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(huì)有很多，如噴嘴尾緣厚度、動(dòng)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(dòng)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(huì)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(huì)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(jì)時(shí)我們可以增加葉片的阻尼從而降低葉片的動(dòng)應(yīng)力。設(shè)計(jì)時(shí)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(qiáng)度的有效方法，目前已被國(guó)內(nèi)外多家汽輪機(jī)制造廠家廣泛采用。為了提高葉片抵抗振動(dòng)疲勞的能力，各汽輪機(jī)制造廠家在葉片上，尤其在中長(zhǎng)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(tái)拉筋等結(jié)構(gòu)，這樣可以減少葉片所受的振動(dòng)應(yīng)力。總結(jié)來(lái)說(shuō)，葉片所受阻尼主要有材料阻尼、摩擦阻尼、氣動(dòng)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(jī)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(diǎn)是不受溫度限制，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)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(lái)說(shuō)，裝配好的葉片靜態(tài)時(shí)相鄰圍帶間有一初裝間隙，汽輪機(jī)工作時(shí)由于扭轉(zhuǎn)恢復(fù)力的作用使得相鄰圍帶接觸面相互貼緊，葉片振動(dòng)時(shí)，接觸面有相對(duì)滑移而耗散葉片的振動(dòng)能量，降低振動(dòng)應(yīng)力。
(二)關(guān)于撞擊阻尼，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)它的研究還相對(duì)較少，對(duì)它的減振原理和減振效果的研究并不全面。然而在文獻(xiàn)Ⅲ中作者武新華和李衛(wèi)軍卻提出了一個(gè)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(gè)小的球面腔室，在腔室中放置一個(gè)小鋼球，當(dāng)葉片旋轉(zhuǎn)起來(lái)以后，小鋼球會(huì)緊貼在腔室的球面上，葉片振動(dòng)以后，小鋼球可以通過(guò)撞擊腔室的壁面來(lái)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(dòng)頻率與旋轉(zhuǎn)速度成正比，所以可以通過(guò)計(jì)算合適的幾何尺寸和設(shè)計(jì)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(duì)于摩擦減振的機(jī)理已有大量的學(xué)者進(jìn)行了深入的研究，筆者不才認(rèn)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(dòng)滑動(dòng)摩擦模型;(2)對(duì)整圈葉片非線性系統(tǒng)求解辦法進(jìn)行優(yōu)化。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于碰撞阻尼的研究相對(duì)較少，對(duì)其機(jī)理還不是十分清晰，所以需要對(duì)其進(jìn)行更多的研究，例如：(1)使得碰撞阻尼的數(shù)學(xué)模型更貼近實(shí)際，從而更好的指導(dǎo)阻尼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì);(2)對(duì)碰撞阻尼結(jié)構(gòu)的壽命問(wèn)題進(jìn)行深入研究：(3)盡量?jī)?yōu)化汽輪機(jī)葉片的碰撞阻尼結(jié)構(gòu)。葉片損傷是汽輪機(jī)發(fā)生故障的主要原因之一。此外它們還會(huì)導(dǎo)致汽輪機(jī)長(zhǎng)期停機(jī)，從而大大降低汽輪機(jī)的可用率。因此汽輪機(jī)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(dòng)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(jì)就能把影響盡量減至最小，從而提高汽輪機(jī)葉片運(yùn)行的安全可靠性，延長(zhǎng)汽輪機(jī)葉片的壽命，提高汽輪機(jī)的可用率。
參考文獻(xiàn)：
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