【1220mm全速湿冷末级长叶片强度振动分析】

原创：罗晓健、周英、刘岩

摘  要：详细分析了上海电气1220mm长叶片的强度、振动特性，以及叶片围带、拉筋等阻尼结构对振动频率的影响。分析表明，该叶片为二阶调频叶片，强度、振动特性良好；同时采用整圈计算、循环对称两种算法验证了结果的可靠性。叶片动频试验结果与理论计算相吻合，标志着该叶片的成功开发。

关键词：湿冷；长叶片；循环对称；频率

汽轮机末级长叶片设计制造技术是汽轮机最关键的技术之一，是机组先进性的重要标志。上海电气在已成功开发的全速湿冷690mm、800mm、1050mm系列长叶片基础上进一步开发了全速湿冷1220mm末级长叶片。该叶片为整圈自锁结构形式，采用枞树型叶根，以提高抗低周疲劳及抗应力腐蚀性能；叶身型线为全三维设计开发的变截面扭叶片，汽道高度1220mm；叶身顶部的围带与叶身中间的拉筋部件为阻尼结构，叶片在工作状态下会在离心力作用下发生扭转，通过围带、拉筋形成整圈联结，这可以提高叶片的刚性，大幅度降低动应力^[1]。

本文利用大型有限元分析软件ABAQUS及自主工程计算软件详细分析了1220mm叶片的强度振动情况，同时采用整圈计算、循环对称两种算法验证了结果的可靠性。叶片动频试验的结果与理论计算相吻合，标志着叶片的成功开发。

1叶片结构参数

上海电气1220mm全速湿冷末级长叶片具体结构参数如表1所示，单片叶片及整圈叶片三维模型示意图如图1、图2所示。

表11220mm叶片结构参数

项目	描述
排汽面积/m^2	11.6
结构形式	围带拉筋整圈自锁结构
叶根形式	枞树型
叶片数量	64

图1 单片叶片结构示意图   图2 整圈叶片结构示意图

2强度振动分析

2.1 强度计算

采用自主工程计算软件计算了强度工况下叶片平均应力情况^[2]，结果如表2所示。

由表2结果可知，强度工况下叶片平均应力值安全裕度较大，最小安全余量为37%，满足安全运行要求。

表 2 叶片平均静应力

      同时，根据叶片结构特点，利用ABAQUS循环对称计算方法，对1220mm叶片应力分布进行了详细分析计算，静应力分布如图3至图5所示，叶片应力分布合理。

图3 1220mm叶片叶身部分静应力分布

由图3可知，叶身部分静应力最大值位置位于叶型底部背弧侧靠近进汽边圆角处。

图4 1220mm叶片叶根部分静应力分布

由图4可知，叶根最大应力位于叶片背弧侧上面第一对齿的颈部圆角处。

图5 1220mm叶片轮槽部分静应力分布

由图5可知，轮槽部分静应力最大值位置位于叶片背弧侧第四对齿圆角处。

2.2 振动特性分析

从图6计算坎贝尔图可知，1220mm叶片1阶频率在工作转速下很好地避开了2倍频及3倍频共振点，2阶频率在工作转速下很好地避开了5倍频及6倍频共振点。

图6 1220mm叶片计算坎贝尔图

1220mm叶片1阶、2阶振型图如图7所示。

图7 1220mm叶片振型图

3整圈与循环对称计算对比分析

为了进一步验证循环对称计算方法的可靠性，本文同时对整圈完整模型计算方法与循环对称简化计算方法进行了对比。

在同样的实体模型以及有限元网格尺度条件下，分别运用单片叶片循环对称计算方法以及整圈完整模型计算方法，对1220mm叶片进行各阶频率计算分析。

单只叶片网格数约为3万，整圈计算采用同样模型及网格，整圈模型网格数约为190万，计算节点数约为250万，计算规模如表3所示。

整圈计算下边界条件、载荷及单元类型与单片循环对称计算时设置相同^[3]。

经过计算，得到工作转速下一、二阶各节径振动频率如表4所示。

表 4 整圈与循环对称计算频率对比

由表4数据可知，单片循环对称计算下得到的频率值结果与整圈循环对称下计算结果几乎一致，由此可知，ABAQUS单片叶片循环对称计算方法是可靠的。

4动频试验结果

为进一步验证1220mm叶片振动特性，并进行叶片调频，由上海电气集团股份有限公司中央研究院在上海电气电站设备有限公司汽轮机厂200t高速动平衡试验台上进行了1220mm长叶片整圈自锁叶轮叶片系统的动频率测试。试验采用无线电遥测方法，测试了该末级全周自锁叶轮叶片系统在2850～3090r/min转速范围内“三重点”共振频率及共振转速。试验布线、信号发射系统以及动频测试试验台如图8所示^[4]。1220mm全周自锁叶轮叶片系统最终试验的坎贝尔图如图9所示。

图9 1220mm全周自锁叶轮叶片系统试验坎贝尔图

图9试验结果表明，在围带设计尺寸下，1220mm全周自锁叶片系统在工作转速附近不存在节径数≤7的一阶、二阶 “三重点”共振，试验结果与理论计算值基本吻合，叶片振动特性满足安全性设计要求，叶片设计开发成功。

5结 论

1220mm叶片为上海电气最新开发的最长全速湿冷末级长叶片，通过大量计算分析结果表明，该叶片为二阶调频叶片，强度振动安全性满足设计要求，安全可靠性高。

本文同时将整圈计算与单片叶片循环对称计算方法进行了对比，验证了循环对称算法的可靠性。

叶片动频试验结果所得到的叶片坎贝尔图与计算结果相吻合，进一步验证了该叶片的可靠性，标志着1220mm叶片的成功开发。

参考文献

[1] 李文福，陆伟，周英.1905mm超长末级长叶片强度振动分析[J] .热力透平，2015，44（2）：114-116.

[2] 吴厚钰.透平零件结构和强度计算[M].北京：机械工业出版社，1982.

[3] 李文福，单鹏，刘岩，等.基于循环对称边界的整圈自锁阻尼叶片频率分析[J] .热力透平，2011，40（1）：66-69.

[4] 祁峰，何卓仪，吴伟.无线电遥测在汽轮机叶片试验中的应用[J] .上海电气技术，2015，8（2）：28-31

（本文原载《热力透平》2018年第3期。）

上汽技术之窗投稿校对：杨柯楠，审核：闫辰。

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