成圈結(jié)構(gòu)葉片圍帶工作面接觸區(qū)域?qū)ζ漕l率的影響分析

喻敏， 李澤培， 黃彪， 張東連

(東方汽輪機(jī)有限公司， 四川 德陽， 618000 )

0 前言

成圈結(jié)構(gòu)的應(yīng)用不僅能夠增強(qiáng)葉片的結(jié)構(gòu)阻尼[1], 大幅降低葉片的動(dòng)應(yīng)力水平[2], 而且能夠在工作狀態(tài)使葉片呈現(xiàn)整圈模態(tài), 有利于改善其振動(dòng)特性[3]。 基于成圈結(jié)構(gòu)的阻尼減振等優(yōu)點(diǎn), 國內(nèi)外各大汽輪機(jī)廠家都傾向于在大功率等級(jí)汽輪機(jī)組葉片上采用該結(jié)構(gòu)型式。

根據(jù)結(jié)構(gòu)型式與設(shè)計(jì)機(jī)理不同, 葉片成圈結(jié)構(gòu)主要分為預(yù)扭成圈與扭轉(zhuǎn)恢復(fù)成圈。 預(yù)扭成圈結(jié)構(gòu)型式一般應(yīng)用于中短葉片, 工作狀態(tài)下葉片僅憑借自身的變形無法形成整圈連接狀態(tài), 此時(shí)需在葉片圍帶工作面預(yù)先設(shè)計(jì)一定過盈量（裝配緊度）, 保證其在工作轉(zhuǎn)速下形成整圈連接狀態(tài)；而圍帶工作面存在一定過盈量, 需將葉片圍帶進(jìn)行預(yù)扭以完成整圈葉片裝配。 扭轉(zhuǎn)恢復(fù)成圈結(jié)構(gòu)型式常用于末級(jí)、 次末級(jí)等長葉片, 工作狀態(tài)下能僅憑借自身的變形而形成整圈連接狀態(tài)。

圍帶工作面過盈量或間隙的選取會(huì)直接影響到相鄰圍帶工作面的接觸區(qū)域, 進(jìn)而影響葉片的整圈連接剛性, 最終影響其成圈頻率特性。 而在實(shí)際加工與裝配過程中, 葉片圍帶工作面的裝配緊度會(huì)與設(shè)計(jì)值存在一定偏差, 對(duì)整圈葉片的成圈頻率特性有一定影響, 可能會(huì)影響到整圈葉片的運(yùn)行安全性。

本文針對(duì)不同的圍帶工作面接觸區(qū)域, 對(duì)成圈結(jié)構(gòu)葉片的頻率特性進(jìn)行了有限元分析； 并進(jìn)一步探討了成圈結(jié)構(gòu)葉片圍帶工作面接觸區(qū)域?qū)ζ漕l率特性影響的變化規(guī)律。

1 計(jì)算模型和分析方法

本文以某機(jī)組高壓第8 級(jí)葉片為例, 該級(jí)葉片采用的成圈型式為預(yù)扭成圈, 圍帶形狀為平行四邊形, 其三維模型見圖1。

圖1 單只葉片三維模型

通過三維建模軟件建立葉片和葉輪模型, 并借用ANSYS 軟件來實(shí)現(xiàn)對(duì)成圈結(jié)構(gòu)葉片的模態(tài)分析, 采用循環(huán)對(duì)稱[4]來模擬整圈葉片的裝配。

采用的網(wǎng)格類型為帶中間節(jié)點(diǎn)的四面體網(wǎng)格。由于采用循環(huán)對(duì)稱的方法, 網(wǎng)格模型為單個(gè)扇區(qū),總網(wǎng)格數(shù)為49 569, 其中葉片網(wǎng)格數(shù)為32 806,葉輪網(wǎng)格數(shù)為16 763, 見圖2。

圖2 計(jì)算網(wǎng)格模型

該成圈結(jié)構(gòu)葉片圍帶工作面的典型接觸區(qū)域詳見圖3, 圍帶工作面過盈量大小決定其接觸區(qū)域大小。 針對(duì)3 種不同接觸區(qū)域的大小, 分析其對(duì)成圈頻率的影響。

圖3 圍帶工作面典型接觸區(qū)域

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 圍帶工作面接觸區(qū)域大小

圍帶工作面過盈量的大小直接影響到其接觸區(qū)域的大小, 圍帶工作面過盈量越大, 其接觸區(qū)域也會(huì)隨著增大； 通過選取不同的過盈量, 分析得到3 種不同的圍帶工作面接觸區(qū)域, 見圖4。

圖4 圍帶工作面接觸區(qū)域隨過盈量的變化

2.2 典型成圈振型

該級(jí)葉片通過對(duì)圍帶工作面預(yù)設(shè)一定的過盈量來保證其在工作轉(zhuǎn)速下形成整圈連接的狀態(tài)。整圈連接葉片的振型很復(fù)雜, 主要表現(xiàn)為節(jié)徑振動(dòng)[5]。 典型振型見圖5。

圖5 成圈結(jié)構(gòu)葉片典型振型

2.3 圍帶工作面接觸區(qū)域?qū)θ~片成圈頻率的影響

針對(duì)以上3 種不同圍帶工作面接觸區(qū)域, 對(duì)葉片進(jìn)行成圈模態(tài)分析, 得到其各節(jié)徑前三階成圈頻率, 并對(duì)其變化規(guī)律進(jìn)行對(duì)比, 見圖6。

對(duì)比3 種不同圍帶工作面接觸區(qū)域下的葉片成圈頻率可知： 隨著圍帶工作面接觸區(qū)域的減小,成圈葉片的連接剛性降低, 其成圈頻率整體也隨之降低； 從整體趨勢上來看, 對(duì)于3 種不同的圍帶工作面接觸區(qū)域, 葉片成圈頻率隨著節(jié)徑的變化規(guī)律是一致的； 且隨著階次增高, 其對(duì)成圈頻率影響相對(duì)較大的區(qū)域隨著節(jié)徑數(shù)逐步后移； 總體上來看, 圍帶工作面接觸區(qū)域的大小對(duì)葉片成圈頻率的影響大致在5%以內(nèi)。

圖6 各節(jié)徑前三階成圈頻率對(duì)比（3 種方案）

3 結(jié)論

本文對(duì)某平行四邊形圍帶預(yù)扭成圈結(jié)構(gòu)葉片進(jìn)行成圈模態(tài)分析, 并研究圍帶工作面接觸區(qū)域變化對(duì)葉片成圈頻率的影響, 得到一些結(jié)論：

（1）圍帶工作面過盈量越大, 其接觸區(qū)域也會(huì)相應(yīng)增大, 進(jìn)而增強(qiáng)成圈葉片的連接剛性, 使其成圈頻率整體增大；

（2）針對(duì)3 種不同的圍帶工作面過盈量所對(duì)應(yīng)的接觸區(qū)域, 葉片成圈頻率隨著節(jié)徑的變化規(guī)律是一致的； 且隨著階次增高, 對(duì)成圈頻率影響相對(duì)較大的區(qū)域隨著節(jié)徑數(shù)逐步后移；

（3）總體上來看, 圍帶工作面接觸區(qū)域的大小對(duì)葉片成圈頻率的影響大致在5%以內(nèi), 即在一定范圍內(nèi), 加工與裝配引起圍帶工作面裝配緊度的偏差對(duì)成圈結(jié)構(gòu)葉片頻率的影響有限。

對(duì)于成圈結(jié)構(gòu)葉片, 其頻率特性是設(shè)計(jì)的重難點(diǎn), 成圈頻率直接影響葉片運(yùn)行安全性。 利用本文研究得到的相關(guān)規(guī)律, 可以避免在圍帶工作面裝配緊度發(fā)生較小變化時(shí)重復(fù)對(duì)成圈葉片頻率特性進(jìn)行分析, 降低成本； 且對(duì)成圈結(jié)構(gòu)葉片的頻率安全性具有指導(dǎo)意義。