【正文】 是提供清 潔可靠、高質(zhì)量發(fā)電及熱電聯(lián)供的最佳方式，也是目前標(biāo)志一個(gè)國家工業(yè)基礎(chǔ)先進(jìn)程度的關(guān)鍵技術(shù)和動(dòng)力設(shè)備的核心 [1]。 由于燃?xì)廨啓C(jī)及其聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組具有污染小、熱效率高、調(diào)峰性能好、建設(shè)周期短、投資省等優(yōu)點(diǎn)，在過去的 50 年里越來越受到各國的高度關(guān)注，各國各大公司都投入了大量的資金和先進(jìn)技術(shù)來研制更先進(jìn)有效的燃?xì)廨啓C(jī)，逐漸取代傳統(tǒng)的汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組。并在 20 世紀(jì) 90 年代，各國紛紛啟動(dòng)了推進(jìn)燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的國家項(xiàng)目，比如美國的 “先進(jìn)透平動(dòng)力系統(tǒng) ”計(jì)劃 (ATS)、歐洲的 “先進(jìn)燃?xì)廨啓C(jī)合作 ”(CAGT)和 EC— ATS 計(jì)劃以及日本的 “新日光 ”計(jì)劃等[2]，大大促進(jìn)了燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)的發(fā)展和電力工業(yè)的發(fā)展。并且此類各種計(jì)劃從未間斷，并陸續(xù)推出新計(jì)劃 (比如美國的 “VISion21”計(jì)劃 )，竭力提升這一技術(shù)水平，發(fā)達(dá)國家力求壟斷這一領(lǐng)域。當(dāng)前先進(jìn)燃?xì)廨啓C(jī)性能如表 所示。 燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片受力特性計(jì)算及分析 第 頁 共 30 頁 2 表 當(dāng)前先進(jìn)燃?xì)廨啓C(jī)性能表 機(jī)型 燃?xì)鉁囟龋?0C） 壓比 單機(jī)功率（ MW） 單機(jī)循環(huán)效率（ %） 聯(lián)合循環(huán)功率（ MW） 聯(lián)合循環(huán)效率（ %） Westhouse501— Ats 1510 28 290 41 426 61 GE—MS7001H 1430 23 300 41 400 60 ABBGT26 1260 30 265 369 SiemensV9 1350 270 39 400 雖然我國在燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電領(lǐng)域起步較早，但是由于各種原因，這種高難度、大型設(shè)備的研發(fā)速度一直很慢。直到改革開放后，隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和電力的需求，燃?xì)廨啓C(jī)才逐漸走上子決速發(fā)展的軌道。特別是隨著 “十五 ”期間西氣東輸工程和引進(jìn)液化天然氣工程 的實(shí)施之后，國家開始重視發(fā)展天然氣燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電，進(jìn)行了三次捆綁式招標(biāo) [3]： 哈動(dòng)力和通用電氣聯(lián)合生產(chǎn) 109FA 機(jī)型 ；東方電氣和日本三菱聯(lián)合生產(chǎn) M70lF 機(jī)型 ； 上海電氣與德國西門子聯(lián)合生產(chǎn) 機(jī)型。捆綁招標(biāo)、以市場換取技 術(shù)推動(dòng)了一批著名的高校與科研機(jī)構(gòu)開展大型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電裝備自主開發(fā)研究和提高了制造能力，使我國船用、航空用燃?xì)廨啓C(jī)取得豐碩成果。 雖然我國燃?xì)廨啓C(jī)的研制方面有了很大的進(jìn)步，但是由于國外對先進(jìn)技術(shù)的壟斷和封鎖，使得我們對燃?xì)廨啓C(jī)的許多機(jī)理和關(guān)鍵技術(shù)尚未完全掌握，與國外先進(jìn)技術(shù)相比還有很大差距。由于設(shè)計(jì)一和運(yùn)營的經(jīng)驗(yàn)不足，使得現(xiàn)在使用的大型機(jī)組在運(yùn)行中經(jīng)常出現(xiàn)問 題，使機(jī)組的安全性和可靠性大大降低。因此，需要對燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組關(guān)鍵零部件的安全壽命進(jìn)行研究，以提高燃?xì)廨啓C(jī)性能指標(biāo)及可靠性， 滿足我國電力工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的需要。 燃?xì)廨啓C(jī)的工作原理是 [4]：通過軸流式壓氣機(jī)各級葉片把空氣壓縮到高壓狀態(tài)，與噴入的燃料在燃燒 室混合燃燒形成高溫高壓燃?xì)?，然后推?dòng)燃?xì)馔钙叫D(zhuǎn) 燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片受力特性計(jì)算及分析 第 頁 共 30 頁 3 而做功，這樣就把燃料的部分化學(xué)能轉(zhuǎn)化成為了機(jī)械能，其中大部分用來推動(dòng)壓氣機(jī)壓縮空氣上，剩余的部分通過輸出軸對外做功。 在這個(gè)做功過程中，燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片起著重要的作用，其將燃?xì)饪捎脽崮芙^大部分轉(zhuǎn)變成渦輪的機(jī)械功 。作為燃?xì)廨啓C(jī)的關(guān)鍵部件之一，渦輪葉片工作環(huán)境相當(dāng)惡劣，在高溫、高壓條件下做高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，承受著循環(huán)變化的交變載荷。在燃?xì)廨啓C(jī)工作過程中葉片高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生很大的離心力，是渦輪葉片在運(yùn)行過程中受到的最重要載荷。其次渦輪葉片的在高溫高壓的環(huán)境里工作，由于受熱不均，在葉片表面產(chǎn)生的熱應(yīng)力，對葉片的強(qiáng)度和疲勞壽命的影響不容忽視，而且在如此的高溫下，葉片的幾何形狀、尺寸、材料性能等都有很大的變化，還容易產(chǎn)生高溫蠕變損傷。再者就是渦輪葉片本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其表面受到高溫高壓燃?xì)庵芷谛詺鈩?dòng)載荷激振力的作用。 綜上所述，即使機(jī)組 處于穩(wěn)定運(yùn)行工況，渦輪葉片也會(huì)承受著周期性的慣離心性力、氣動(dòng)載荷激振力、溫度應(yīng)力等循環(huán)交變載荷作用。由于葉片受到交變載荷而產(chǎn)生交變應(yīng)力，經(jīng)過一定次數(shù)應(yīng)力循環(huán)后致使葉片特別是動(dòng)葉產(chǎn)生疲勞裂紋，并隨著載荷的持續(xù)作用裂紋逐漸擴(kuò)大，直到剩余的承力面積不足以承受離心力造成的應(yīng)力時(shí)，最 終導(dǎo)致葉片疲勞斷裂。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在燃?xì)廨啓C(jī)零部件的失效事件中，渦輪葉片占 40%以上，其中大部分是由于葉片的振動(dòng)疲勞斷裂所致，造成了巨大的直接和間接經(jīng)濟(jì)損失 [5]。據(jù)美國電力研究協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)報(bào)道： 1977～ 1981年間，美國由于葉片失效而導(dǎo)致直接經(jīng) 濟(jì)損失大約在巧 ～ 億美元之間。在我國因葉片事故造成的經(jīng)濟(jì)損失達(dá)數(shù)十億。所以分析葉片的振動(dòng)特性就顯得特別重要，而求解葉片振動(dòng)特性的難點(diǎn)在于定 量確定葉片的激振力。由上面的內(nèi)容分析可以看到，渦輪葉片的載荷十分復(fù)雜，引起葉片振動(dòng)的因素很多，但其中最能激發(fā)葉片振動(dòng)的載荷為葉片所受的氣動(dòng)載荷激振力。因氣動(dòng)力誘發(fā)強(qiáng)迫振動(dòng)所造成的葉片振動(dòng)破壞故障遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過由于葉片顫振所造成的事故。求解葉片振動(dòng)特性一般都采用動(dòng)力學(xué)分析法，針對渦輪葉片常遇到的振動(dòng)問題，振動(dòng)模態(tài)分析是一種有效的研究方法，主要用于確定葉片的固有頻率和 振型，這是受動(dòng)載荷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要參數(shù)。 燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片受力特性計(jì)算及分析 第 頁 共 30 頁 4 本文從燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片氣動(dòng)載荷的推導(dǎo)出發(fā)，分析葉片所受到的氣動(dòng)載荷激振力，應(yīng)用動(dòng)力學(xué)分析葉片的振動(dòng)參數(shù)和振動(dòng)特性，分析葉片在氣動(dòng)載荷作用下可能發(fā)生的振動(dòng)情況，盡量減少或避免葉片的振動(dòng)疲勞損傷。 渦輪葉片氣動(dòng)載荷國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 即使燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組處于穩(wěn)定運(yùn)行工況，渦輪葉片也會(huì)受到周期性激振力的作用，產(chǎn)生振動(dòng)響應(yīng)。雖然影響葉片的激振力因素較多，但對于葉片振動(dòng)響應(yīng)起到關(guān)鍵作用的是氣動(dòng)載荷激振力，所以氣動(dòng)載荷研究一直受到各專家和研究學(xué)者的廣泛關(guān)注。不少學(xué)者從不同角度 對葉片的氣動(dòng)載荷在理論和實(shí)驗(yàn)方面進(jìn)行了研究。就空氣動(dòng)力方面的原因而言一葉輪機(jī)械流體激振問題基本上可以分為兩種：一種是穩(wěn)定性問題，它對應(yīng)著葉輪機(jī)械的自激振動(dòng)，它發(fā)生在勢流中，因此流動(dòng)分離和邊界層效應(yīng)對顫振過程沒有重要影響。因?yàn)闅鈩?dòng)力對葉輪機(jī)械的單自由度的振動(dòng)一般起阻尼作用。另一種是響應(yīng)問題，它對應(yīng)著葉輪機(jī)械的強(qiáng)迫振動(dòng)。在軸流式和離心式渦輪中，尾流是一種常見的強(qiáng)迫振動(dòng)激振源，它是由于葉片尾緣及附面層的影響，引起葉柵出口氣流速度的虧損而形成的，會(huì)給下一級轉(zhuǎn)子葉片產(chǎn)生周期性激振，是葉片動(dòng)應(yīng)力產(chǎn)生的重要原因。尾流激振 力與空氣動(dòng)力的強(qiáng)烈非線性有關(guān)，求解難度很大。過去這種研究大多依賴于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，后來隨著計(jì)算機(jī)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，才一可以通過數(shù)值模擬進(jìn)行計(jì)算。 在國內(nèi)外早期的研究中，由于葉柵通道中的非定常流場非常復(fù)雜，再加當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)發(fā)展水平以及相關(guān)的計(jì)算軟件開發(fā)水平都比較低，無法準(zhǔn)確計(jì)算尾跡作用于葉片上的氣動(dòng)激振力，都是以單個(gè)葉片系統(tǒng)作為研究對象，認(rèn)為輪盤是完全剛性的， 忽略葉片與輪盤系統(tǒng)的振動(dòng)禍合，只是在葉片樺頭及計(jì)卜冠處施以合適的邊界條件。文獻(xiàn) [6]分析中就是將葉片和輪盤作為孤立部件，對葉片進(jìn)行氣動(dòng)載荷的分析。文獻(xiàn)把非定常 力的計(jì)算方法從最初的二維求解法發(fā)展到三維可壓縮葉柵求解法，文獻(xiàn) [7]在此基礎(chǔ)上有更進(jìn)一步的發(fā)展，利用振蕩流體力學(xué)理論和參數(shù)多項(xiàng)式法對渦輪葉片的激振力進(jìn)行求解。早在上世紀(jì) 70 年代，姚福生主要研究了汽輪機(jī)中由于部分進(jìn)氣和導(dǎo)向葉片出口邊厚度所造成的間斷性氣流作用在動(dòng)葉上的周期激振力問題，把汽輪機(jī)氣動(dòng)載荷假設(shè)成矩形波，推導(dǎo)了一般汽輪機(jī)動(dòng)葉片氣動(dòng)載荷的計(jì)算表達(dá)式。 1999 年朱寶田 [8]詳細(xì)研究了在穩(wěn)定工況下影響汽輪 燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片受力特性計(jì)算及分析 第 頁 共 30 頁 5 機(jī)葉片激振力的主要因素，在考慮各主要影響因素模型的基礎(chǔ)上建立了通過傅立葉諧波分析定量確定各階諧波激振力的 一整套力學(xué)模型和數(shù)值計(jì)算方法。 早期的計(jì)算取得了很大的成就，但是畢竟相對簡單，考慮的因素較少，而實(shí)際的尾流流體激振問題相當(dāng)復(fù)雜，涉及到諸多學(xué)科的分支。尾流流體激振是尾流流體誘發(fā)結(jié)構(gòu)振動(dòng)，而振動(dòng)又反饋影響到流場的現(xiàn)象，流固之間存在著相當(dāng)復(fù)雜的禍合作用。傳統(tǒng)的分析方法無法揭示其本質(zhì)，直到最近隨著計(jì)算機(jī)和計(jì)算技術(shù)飛速發(fā)展，多場禍合理論和多場藕合軟件逐漸成熟才得以深入的研究。 ， 等設(shè)計(jì)并用 CFD 技術(shù)研究單級微型壓氣機(jī)和透平的氣動(dòng)性能，文獻(xiàn)給出了詳細(xì)的設(shè)計(jì)參數(shù)。 [9]采用一維的歐拉方程和一維的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)平衡微分方程，對活塞與氣體的禍合問題進(jìn)行了強(qiáng)禍合分析，計(jì)算中假設(shè)流體為理想氣體，結(jié)構(gòu)采用單自由度的模型。 Hah 等計(jì)算了帶葉尖間隙的跨音速壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)流場模擬出葉尖間隙流與通道激波的干涉，他與愉 Krain 合作 [10]計(jì)算了離心壓氣機(jī)葉輪在設(shè)計(jì)和非設(shè)計(jì)工況下內(nèi)部流中的二次流渦流及頂部間隙效應(yīng)。 等提出了尾流激振的簡化物理模型和對應(yīng)的流固藕合界面的動(dòng)力方程，進(jìn)一步分析了在尾流作用下，影響葉片系統(tǒng)高周疲勞壽命的重要參數(shù)。 在國內(nèi)開始的研究主要集中在氣流力 公式的推導(dǎo)方面，后來也轉(zhuǎn)向了多場禍合來分析尾流激振問題。 楊建剛等 [11]采用了將轉(zhuǎn)子位移分解為靜位移與動(dòng)位移的方法。對阿爾福德公式進(jìn)行了修正。柴山、張耀明等 [12]從流體力學(xué)出發(fā)，應(yīng)用動(dòng)量定理對由于間隙引起的氣流間隙激振力進(jìn)行了多方面的研究，并推導(dǎo)出普遍適用的計(jì)算公式。袁新 [13]對 VKI 葉柵及 T12 透平噴嘴葉柵進(jìn)行了二維 N— S 方程數(shù)值模擬，得到了清晰的激波和尾跡干涉圖，計(jì)算得到的葉片表面壓力分布與試驗(yàn)數(shù)據(jù)精確吻合。 孟越等 [14]提出了葉片強(qiáng)迫響應(yīng)瞬態(tài)分析方法，將流場分析得到的葉片表面氣動(dòng)力數(shù)據(jù)作為邊界 條件施加到瞬態(tài)分析有限元模型上，用 APDL 語言編程實(shí)現(xiàn)有限元節(jié)點(diǎn)上的分析。 王梅，江和甫，呂文林 [15]提出了尾流激振情況下葉片振動(dòng)應(yīng)力預(yù)估技術(shù)，研究了前排靜子的尾流對后排轉(zhuǎn)子葉片振動(dòng)的影響。 謝永慧，藍(lán)吉兵，張荻等 [16]深入研究了非定常流動(dòng)對透平氣動(dòng)性能的影響和導(dǎo)致產(chǎn)生動(dòng)時(shí)一片振動(dòng)疲勞的氣流激振力。并通過實(shí)例驗(yàn)證 RNGk 一湍流模型和雙時(shí)間步法可獲得更詳細(xì)、精確、真實(shí)的流場狀況，氣流激振力和激振力因子的水平與流場狀況有密切聯(lián)系。 燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片受力特性計(jì)算及分析