【文章內(nèi)容簡介】 第 頁 共 30 頁 6 渦輪葉片動力學(xué)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 燃?xì)廨啓C(jī)渦輪轉(zhuǎn)子葉片是燃?xì)廨啓C(jī)的主要零 部件之一，它在高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速、惡劣且相當(dāng)復(fù)雜的環(huán)境下工作，不僅被經(jīng)常變化著的高溫燃?xì)馑鼑?，而且還承受著高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的巨大離心力、氣動力和振動負(fù)荷等復(fù)雜的載荷作用。所以渦輪葉片最易產(chǎn)生疲勞裂紋，并隨著載荷的持續(xù)作用裂紋逐漸擴(kuò)大，從而影響葉片的可靠性，而渦輪葉片的可靠性直接影響燃?xì)廨啓C(jī)正常工作。 渦輪葉片是一種彈性結(jié)構(gòu)，在工作過程中，葉片不僅受到離心力載荷，還不斷地受到氣流激振力的交變載荷，使葉片產(chǎn)生振動，特別是當(dāng)激振頻率等于葉片自振頻率時而產(chǎn)生共振。當(dāng)發(fā)生共振時，渦輪葉片的響應(yīng)特別是應(yīng)力應(yīng)變會產(chǎn)生急劇變 化，對葉片的安全運(yùn)行產(chǎn)生威脅。有關(guān)統(tǒng)計資料指出，振動疲勞是造成渦輪葉片破壞的重要原因。實(shí)際運(yùn)行的經(jīng)驗表明，葉片的靜態(tài)強(qiáng)度足夠但葉片仍存在斷裂問題，主要原因就是葉片的動態(tài)性能不夠好，使葉片產(chǎn)生了高周疲勞而破壞。但由于葉片高周疲勞失效的性質(zhì)嚴(yán)重、機(jī)理復(fù)雜、改進(jìn)難度大、處理周期長。所以葉片振動疲勞研究中對振動特性極為關(guān)注，許多文獻(xiàn)討論振動和響應(yīng)分析方法及參數(shù)影響。隨著工業(yè)技術(shù)發(fā)展的實(shí)踐證明，傳統(tǒng)的靜態(tài)設(shè)計和經(jīng)驗設(shè)計方法已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了現(xiàn)代工程技術(shù)發(fā)展的需求：既要滿足靜力學(xué)強(qiáng)度要求，還要給定結(jié)構(gòu)的某些固有頻率禁區(qū)， 或某些點(diǎn)上的響應(yīng)的要求，或者兩者兼而有之。所以對渦輪葉片這樣的結(jié)構(gòu)來說，靜強(qiáng)度和動強(qiáng)度固然是重要的指標(biāo)，振動特性分析在葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計和評價中也具有極其重要的位置，所以我們要對葉片進(jìn)行動力學(xué)分析。 文獻(xiàn) [17]在葉片結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)顫振的研究中考慮了葉片間模態(tài)性質(zhì)差異的影響。文獻(xiàn) [18]利用具有結(jié)構(gòu)阻尼的 Euler 一 Bemoulh 梁來模擬葉片，并在其根部用彈簧連接來考慮葉片之間的藕合。文獻(xiàn) [19]采用各種梁模型考慮原有扭轉(zhuǎn)角和變截面、彈性支撐、彎扭禍合等影響，分析了葉片的自由振動特性，方法比較簡單，便于討論參數(shù)的影響。 文獻(xiàn) [20]將葉片簡化為懸臂板或淺殼，分析振動特性與幾何參數(shù)的關(guān)系，文獻(xiàn) [21]采用有扭轉(zhuǎn)角的圓柱壁板模型模擬葉片。文獻(xiàn) [22]對渦輪葉片應(yīng)力進(jìn)行了全面的有限元分析，包括彈塑性穩(wěn)態(tài)應(yīng)力、振動應(yīng)力，考慮了穩(wěn)態(tài)應(yīng)力對振動應(yīng)力的影響。文獻(xiàn) [42]提出用 振動頻率監(jiān)測透平葉片低周疲勞損 燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片受力特性計算及分析 第 頁 共 30 頁 7 傷的方法，通過懸臂梁疲勞損傷演化方程確定損傷變化，用有限元分析得到各階自由振動頻率隨循環(huán)次數(shù)的變化。 本文的主要內(nèi)容 本文分析了燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片動葉受到的氣動載荷激振力， 并 推導(dǎo)了燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片氣動載荷激振力的表達(dá)式，采用 MATLAB 仿真技術(shù)對氣動激振力進(jìn)行了分析得到的載荷譜，及對周向力進(jìn)行了諧波分析，得到了其頻譜圖和各階諧波分量。 燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片受力特性計算及分析 第 頁 共 30 頁 8 2 渦輪葉片受力特性計算表達(dá)式的推導(dǎo) 在高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速下工作的轉(zhuǎn)子葉片工作環(huán)境相當(dāng)惡劣，承受著復(fù)雜的載荷作用。葉片工作時不僅被經(jīng)常變化著的高溫燃?xì)馑鼑?，并且還承受著高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的巨大離心力、氣體力和振動負(fù)荷等，所以渦輪葉片經(jīng)常會因為強(qiáng)度不夠而導(dǎo)致?lián)p壞，而葉片的損壞又極其危險，會影響同級的其它葉片，甚至可能導(dǎo)致整個級的葉片損壞，致使發(fā)電機(jī)組停機(jī)。此外， 葉片還受到蒸汽腐蝕和濕蒸汽區(qū)水滴沖蝕等危害。所以渦輪葉片最易產(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，最終導(dǎo)致葉片疲勞斷裂。所以分析計算渦輪葉片的載荷是非常必要的，為以后的振動疲勞分析準(zhǔn)備條件。 離心載荷 渦輪轉(zhuǎn)子葉片高速旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力是燃?xì)廨啓C(jī)穩(wěn)態(tài)工作時渦輪葉片的最重要的載荷。假定葉片的離心力載荷是均勻分布在樺頭樣槽的接觸面處的，所以可認(rèn)為樺頭接觸面上的均布載荷。理論上所有齒面上的壓力和在徑向的分量等于葉片的離心力，根據(jù)文獻(xiàn)，整體葉片樺頭的 離心載荷為： 2c ?mRF ? (2—1) 其中， m 是渦輪葉片的質(zhì)量； R 是渦輪葉片質(zhì)心到旋轉(zhuǎn)軸線的徑向距離； ? 是渦輪葉片的角速度。 本文研究的渦輪葉片參數(shù)為： m=， R=， ? =。 計算的離心力載荷為： 燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片受力特性計算及分析 第 頁 共 30 頁 9 Fc= 該葉片樺頭與渦輪盤的連接屬于縱樹型樺頭連接，共有三對齒接觸，渦輪盤上每對齒的接觸表面積分別為： 上： S1= 中： S2= 下： S3= 則渦輪葉片樺頭齒面受壓總面積為： S=S1+S2+S3= 溫度載荷 渦輪葉片工作環(huán)境十分惡劣，外部是高溫、高壓的燃?xì)?，?nèi)部是低溫冷卻氣體，環(huán)境溫度梯度很大，出于受熱不均勻，葉片的各部分將發(fā)生不同程度的膨脹，在受到約束時，膨脹不能自由發(fā)生，于是就會產(chǎn)生熱應(yīng)力。熱應(yīng)力對葉片疲勞壽命有很大影響，并且可能引起葉片蠕變損傷。但是這種溫度分布、應(yīng)力分布情況極其復(fù)雜，求解相當(dāng)困難?，F(xiàn)在主要是通過有限元軟件，通過多場耦合技術(shù)模擬葉片的真實(shí)工作環(huán)境，仿真分析也哦按表面的溫度分布。由于溫度分布不 是本文的重點(diǎn)研究對象，所以在這里不做詳細(xì)敘述。在這里只列出我們合作單位西北工業(yè)大學(xué)給的簡單數(shù)據(jù)如下： 渦輪葉片的前溫度為 1700K，總壓為 ，出口靜壓力為 。溫度沿葉片徑向的變化規(guī)律如圖 所示。圖中縱坐標(biāo)為設(shè)計點(diǎn)溫度，橫坐標(biāo)為葉片的徑向尺寸。由圖可以看出，在半徑 r=80mm 附近，溫度由 1300K，溫度梯度最大。將葉片溫度隨葉片高的變化規(guī)律曲線如圖 所示。 燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片受力特性計算及分析 第 頁 共 30 頁 10 圖 渦輪葉片實(shí)測溫度分布 圖 渦輪葉片溫度隨葉高的變 化 由給出的溫度分布，在 ANSYSWorkbench 中直接定義加載，然后通過熱分析計算得到葉片的溫度載荷，即熱應(yīng)力，作為下一步計算的邊界條件之一。 渦輪葉片的氣動激振力的分析計算 根據(jù)汽輪機(jī)原理知道，作用在一個動葉上的周向和軸向燃?xì)鉀_擊力 Pu 和 Pa，可以分別用下式表示： )(21 uuu WWgGP ?? （ 2—2） 燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片受力特性計算及分析 第 頁 共 30 頁 11 )(21a aa WWgGP ?? （ 2—3） 引入下列關(guān)系式： 12239。1139。sinwwFFWFG?????????? （ 2—4） 則公式 (2— 2)、 (2— 3)就變成為： FWgP ????? )c os(c oss i n 211211u ????? (2— 5) FWgP ?????? )s i n(s i ns i n 211211a ????? (2— 6) 上式中 1? 表示燃?xì)饷芏龋?? 表示氣流速比， 21 ??、 幾動葉片進(jìn)、出氣角。對于給定的燃?xì)廨啓C(jī)， 21 ??? 、 都是定值，變化的只有 F，故關(guān)鍵求 F。 F 表示作用在一只動葉上從噴嘴槽道流出的垂直于透平軸的氣流截面積。所謂一只動葉片的含義是指一個動葉片角節(jié)足巨的區(qū)間。 在實(shí)際情況中，噴嘴出口邊是具有一定能夠厚度的，有時還存在部分的進(jìn)氣，這樣就會使噴嘴后蒸汽在全圓周上的連續(xù)性遭到破壞，如圖 所示。動葉片在這個間斷性的氣流場中運(yùn)動就等于受到了一種水平的周期激振力。 圖 動葉片在間斷性氣流中運(yùn)動情況 為簡化計算，基于兩個假設(shè)： 燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片受力特性計算及分析 第 頁 共 30 頁 12 (1)燃?xì)庾饔迷趧尤~上的載荷是一種矩形載荷，節(jié)圓半徑處的節(jié)距將 作為整個葉高方向上的計算數(shù)值； (2)忽略葉柵出口邊附面層厚度和假定緊挨出口邊后的氣流速度為零，所以可認(rèn)為沿著葉柵出口槽道柵距方向上的氣流速度場是矩形的均勻速度場。 并且本文研究的是燃?xì)廨啓C(jī)中最為常見的一種噴嘴組，其包含全周進(jìn)氣的情況，即噴嘴組只有一個，噴嘴沿周向方向是均勻分布的。 圖 噴嘴高度與 α的關(guān)系變化 根據(jù)圖 中的情況，噴嘴出汽高度 h 隨著 α變化的函數(shù)可以用下式來表示： ??? ????????kkWwkk JJh JJh ????? ????? 2220)( 222)(h （ 2— 7） J= 3… 表示葉片轉(zhuǎn)過的靜葉片的個數(shù) (即周期 )。 2 k? 是單個靜葉的角節(jié)距， 2 k? 是噴氣口的角節(jié)距。 在一個周期內(nèi)，面積 F 可表示為： ?? kKJJdhRF ????22p)( （ 2—8） 把式 (2— 8)帶入到式 (2— 5)和式 (2— 6)即可得到在一個周期內(nèi)圓周向和軸向激振力的表達(dá)式： ???? kkkJJpudhRWgP ????