（一般力学与力学基础专业论文）干摩擦阻尼叶片的黏滑周期振动研究.pdf

中文摘要 叶片是汽轮机的心脏，它的安全可靠直接关系到汽轮机和整个电 站的安全。 叶片事故的统计分析表明， 叶片损坏大多数是由于叶片振动产生的动应力过大所 致。 为了解决叶片振动问题， 采用摩擦阻尼减振的方法来解决叶片振动故障是一 个很有效的途径。汽轮机厂家越来越多地采用带有阻尼围带或凸肩的叶片结构， 即阻尼叶片。 阻尼叶片通过围带或凸 肩间的相互千摩擦来消耗叶片能量， 起到减 振的作用。 本文对干摩擦阻尼叶片周期振动响应及其特性进行分析研究， 主要工 作分为以下几个方面: 第一部分工作: 较全面的综述了汽轮机叶片在工作中的常见问题和干摩擦阻 尼的研究现状，并确定了本文计算分析所需的摩擦力模型和叶片运动方程。 第二部分工作: 建立了 叶片单自由 度模型， 处于有效的工作状态的粘滞阻尼 器在每一个周期运动中或者粘滞或者滑动，从而构成了分段线性性， 用数值的计 算方法来求叶片的周期振动响应。 对摩擦面间正压力变化时摩擦力进行分析， 得 出了 存在一最优正压力使得叶片的振幅最小， 特别是在共振时， 大大的降 低了叶 片振动振幅，从而达到了最佳减振效果。 第三部分工作: 建立了叶片弯扭祸合情况下的运动方程， 用数值计算方法计 算了叶片的固有频率与轴系扭振的固有频率在不同比 值情况时的响应， 并分析了 轴系短路情况下叶片的振动响应情况， 还分析了 机组轴系受到不同的扭振激励发 生转轴共振或者不共振的情况下的叶片的响应，并讨论了干摩擦力的 减振效果， 找到了最佳正压力值。 本文研究得出，增加叶片的界面摩擦阻尼是一种非常有效的叶片 减振方法。 由 于界面干摩擦的介入， 使得阻尼叶片具有非线性的动力特性。 与线性动力系统 不同， 阻尼叶片的频率不再是它的固有特性， 其频率受外界激振力的影响。 干摩 擦阻尼叶片减振效果显著。 关键词: 汽轮机 叶片 千摩擦 粘滞 滑动 共振 弯扭i m 合 abs tract b l a d e s a r e t h e h e a rt o f t u r b o m a c h i n e ry . t h e i r c r e d i b i l i t y i s r e s p o n s i b l e f o r t h e s a f e t y o f t h e t u r b o m a c h i n e ry , e v e n t h e w h o l e p o w e r p l a n t . o n e o f t h e c o m m o n s t r u c t u r a l f a i l u r e s o f b l a d e s i s d u e t o e x c e s s i v e s t r e s s e s c a u s e d b y l a r g e a m p l i t u d e v i b r a t i o n s . f r i c t i o n d a m p e r h as b e e n u s e d w i d e l y t o r e d u c e t h e r e s o n a n t v i b r a t i o n o f t u r b i n e b l a d e s . mo r e a n d m o r e m a n u f a c t u r e r s a d a p t t h e d a m p e d b l a d e s w i t h i n t e g r a l w i r e o r s h r o u d . a s t h e d ry fr i c t i o n b e t w e e n t h e d a m p e r s d i s s i p a t e s t h e v i b r a t o r y e n e r g y , t h e v i b r a t i o n o f b l a d e s i s r e d u c e d . t h e s t i c k - s l ip d y n a m i c s o f d ry f r i c t i o n d a m p e d b l a d e s a r e d i s c u s s e d i n t h i s p a p e r . p a rt o n e , t h e u s u a l l y p r o b l e m s o f t u r b i n e b l a d e s a n d t h e p r e s e n t s i t u a t i o n a n d r e m a i n i n g p r o b l e m s o n d ry- fr ic t i o n d a m p e r a r e s u m m a r i z e d . t h e m o d e l o f d ry- fr i c t i o n i s e s t a b l i s h e d a n d t h e e q u a t i o n s o f m o t i o n o f b l a d e a r e d e d u c e d f o r f o r th u r a n a l y s i s . p a r t t w o , f o r a s i n g l e - d o f v i b r a t i o n s y s t e m e x c it e d b y a p e r i o d i c f o r c e , fr i c t i o n f o r c e i s d e s c r i b e d b y a h y s t e r e t i c m o d e l . t h e m e t h o d i s b as e d o n a p r o c e d u r e t h a t u s e s a n a l 西c a l s o l u t i o n f o r m s f o r t h e r e s p o n s e w i t h i n t h e f o u r i n t e r v a l s w h e r e t h e s y s t e m p o s s e s s e s a l i n e a r v i b r a t i o n c h a r a c t e r i s t i c a n d c o m b i n e s t h e s e s o l u t i o n s t o f o r m a n e x a c t , p e r io d i c m o t i o n o f t h e s y s t e m . n u m e r i c a l s im u l a t i o n s s h o w t h a t t h e r e s o n a n t v i b r a t i o n o f t h e b l a d e c a n b e w e l l c o n t r o l l e d i n c a s e t h e n o r m a l p r e s s u r e a p p li e d b e t w e e n d a m p e r c o n t a c t i n g s u r f a c e s i s i n a s u i t a b l e v a l u e . i n a d d i t i o n , i n t r o d u c i n g t h e f r i c t i o n d a m p e r c a n a l s o m o d u l a t e t h e n a t u r a l fr e q u e n c y o f t h e b l a d e s y s t e m , w h i c h c a n a v o i d t h e s y s t e m o p e r a t e d i n r e s o n a n c e . p a r t t h r e e , t a k i n g i n t o a c c o u n t t h e c o u p l i n g o f fl e x io n - t o r s i o n , th e t w o - d o f b l a d e m o d e l i s s t u d i e d b y t h e n u m e r i c a l m e t h o d t o o b t a in t h e r e s p o n s e e q u a t i o n s . t h e i n fl u e n c e s o f t h e s y s t e m p a r a m e t e r s o n t h e a m p l i t u d e - fr e q u e n c y c u r v e s a r e d i s c u s s e d . t h e r e s p o n s e o f t u r b i n e b l a d e s u n d e r t w o - p h a s e s h o rt c i r c u i t i s d i s c u s s e d . t h e n o r m a l f o r c e b e t w e e n t h e r u b b i n g s u r f a c e s c a n i n fl u e n c e t h e d a m p i n g e ff e c t o f b l a d e s . t h r o u g h t h e s t u d y w e f o u n d t h a t t h e r e i s a n o p t i m u m v a l u e f o r t h e n o r m a l f o r c e , u n d e r w h i c h t h e v ib r a t i o n o f b l a d e s c a n b e d a m p e d e ff e c t i v e l y . t h e d a m p e d b l a d e s i s a n o n l i n e a r d y n a m i c s y s t e m , s o i t s n a t u r a l fr e q u e n c y c a n b e i n fl u e n c e d b y e x t e rn a l f o r c e . t h e r e s u l t s i n t h i s p a p e r s h o w t h a t t h e d ry fr ic t i o n i n b l a d e s p l a y s a v e ry i m p o r t a n t r o l e i n r e d u c in g v i b r a t i o n a m p l i t u d e o f t h e b l a d e s . k e y wo r d s : t u r b i n e , d a m p e d b la d e , d ry - fr i c t i o n , s t ic k - s l i p , v i b r a t i o n r e s o n a n c e , fl e x i o n - t o r s i o n c o u p l i n g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果， 除了文中特别加以 标注和致谢之处外， 论文中不包含其他人已 经发表 或 撰 写 过 的 研 究 成 果 ， 也 不 包 含 为 获 得 2进达主或 其 他 教 育 机 构 的 学 位 或 证 书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名:签字日期:年月日 学位论文版权使用授权书 本 学 位 论 文 作 者 完 全 了 解远生友 有 关 保 留 、 使 用 学 位 论 文 的 规 定 。 特 授 权a - * k - 可 以 将 学 位 论 文 的 全 部 或 部 分内 容 编 入 有 关 数 据 库 进 行 检 索， 并采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、 汇编以 供查阅和借阅。 同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名:导师签名: 签字日 期:年月日签字日期:年月日 天津大学硕十学位论文第一章 绪论 第一章 绪论 1 . 1 课题的工程背景及意义 电力是现代化工业发展的基石， 也是目前世界上最主要的能 源之一。 能源的 开 发和利用是制约国民经济发 展的 一个主要因素。 据报导0 ) 我国的电 力8 0 % 来 源 于热力发电， 其中大多数以 汽轮机为原动机。 叶片是透平机械的心脏部件， 因承 受 气流周 期性扰动力作用而振 动， 加之复杂恶劣的工作环境， 常常造成叶片失效， 如由叶片异常振动或承受共振应力带来的高周或低周疲劳引起的断裂。据统计， 叶片事故占汽轮机事故的4 0 % 。 叶片是汽轮机的心脏， 也是事故最多的关键部件， 它的安全可靠直接关系到汽轮机和整个电站的安全。 叶 片 失 效是 导 致电 厂 停 机 的 原 因 之 一。 据美国电 力 研究 所 统 计 报 道 12 1 : 1 9 7 7 年一 1 9 8 1 年间，由于叶片失效而导致电厂停机造成的直接经济损失大约在1 5 . 5 亿 -1 9 . 4 亿美元之间。另外，在电厂所有失效事故中，叶片失效所占比例在6 0 % 以 上。 由 此可见， 若要提高蒸汽轮机特别是大型蒸汽轮机运行的可靠性， 首先必须 解决叶片的失效问题，即提高叶片本身的运行可靠性。 在火电厂、 核电厂机组运行过程中， 汽轮机叶片工作在高温、 高压、 高转速 或湿蒸汽区等恶劣环境中， 经受着离心力、 蒸汽力、 蒸汽激振力、 腐蚀和振动以 及湿蒸汽区高速水滴冲蚀的共同作用， 再加上难以 避免的设计、 制造、 安装质量 及运行工况、 检修工艺不佳等因 素的 影响， 常会出 现损坏， 轻则引 起汽轮发电 机 组振动， 重则造成飞车事故。 叶片损坏的位置， 从围带到叶根都有汽轮机各级叶 片的损坏机会是不均匀的， 据美国对5 0 台大型机组的统计， 叶片事故几乎全发生 在低压缸内， 其中末级占 2 0 % ， 次末级占5 8 % ， 而且集中区是高压第一级， 即调节 级。 据日 本的统计，也有2 0 % 的事故发生于此。因此，在汽轮机设计和运行时， 均应注意这些部位。 叶片损坏的原因是多方面的， 可以从不同角度加以分析。 例如， 从发生的机 理区分，6 0 % - 8 0 % 的损坏原因是振动;从责任范围区分，可归纳为设计、制造、 安装、运行和老化等。 在实际工作中， 如果能及时找出主要原因， 掌握叶片事故 前 后的征兆， 采取相应措施， 就能 避免事故的发生， 提高机组的使用寿命和安全 可靠性。 天津大学硕十学位论文第一章 绪论 第一章 绪论 1 . 1 课题的工程背景及意义 电力是现代化工业发展的基石， 也是目前世界上最主要的能 源之一。 能源的 开 发和利用是制约国民经济发 展的 一个主要因素。 据报导0 ) 我国的电 力8 0 % 来 源 于热力发电， 其中大多数以 汽轮机为原动机。 叶片是透平机械的心脏部件， 因承 受 气流周 期性扰动力作用而振 动， 加之复杂恶劣的工作环境， 常常造成叶片失效， 如由叶片异常振动或承受共振应力带来的高周或低周疲劳引起的断裂。据统计， 叶片事故占汽轮机事故的4 0 % 。 叶片是汽轮机的心脏， 也是事故最多的关键部件， 它的安全可靠直接关系到汽轮机和整个电站的安全。 叶 片 失 效是 导 致电 厂 停 机 的 原 因 之 一。 据美国电 力 研究 所 统 计 报 道 12 1 : 1 9 7 7 年一 1 9 8 1 年间，由于叶片失效而导致电厂停机造成的直接经济损失大约在1 5 . 5 亿 -1 9 . 4 亿美元之间。另外，在电厂所有失效事故中，叶片失效所占比例在6 0 % 以 上。 由 此可见， 若要提高蒸汽轮机特别是大型蒸汽轮机运行的可靠性， 首先必须 解决叶片的失效问题，即提高叶片本身的运行可靠性。 在火电厂、 核电厂机组运行过程中， 汽轮机叶片工作在高温、 高压、 高转速 或湿蒸汽区等恶劣环境中， 经受着离心力、 蒸汽力、 蒸汽激振力、 腐蚀和振动以 及湿蒸汽区高速水滴冲蚀的共同作用， 再加上难以 避免的设计、 制造、 安装质量 及运行工况、 检修工艺不佳等因 素的 影响， 常会出 现损坏， 轻则引 起汽轮发电 机 组振动， 重则造成飞车事故。 叶片损坏的位置， 从围带到叶根都有汽轮机各级叶 片的损坏机会是不均匀的， 据美国对5 0 台大型机组的统计， 叶片事故几乎全发生 在低压缸内， 其中末级占 2 0 % ， 次末级占5 8 % ， 而且集中区是高压第一级， 即调节 级。 据日 本的统计，也有2 0 % 的事故发生于此。因此，在汽轮机设计和运行时， 均应注意这些部位。 叶片损坏的原因是多方面的， 可以从不同角度加以分析。 例如， 从发生的机 理区分，6 0 % - 8 0 % 的损坏原因是振动;从责任范围区分，可归纳为设计、制造、 安装、运行和老化等。 在实际工作中， 如果能及时找出主要原因， 掌握叶片事故 前 后的征兆， 采取相应措施， 就能 避免事故的发生， 提高机组的使用寿命和安全 可靠性。 天津大学硕士学位论文 第-章 绪论 河 南电 力 试 验 研究 所 3 1 从 近 年 来 发 生 的 1 7 例 叶 片 故 障 统 计中 分 析了 上 海 汽 轮机有限公司、 哈尔滨汽轮机有限责任公司、 东 方汽轮机厂、 北京重型电机厂( 表 中简称上汽、哈汽、东汽、北重) 生产的以及美国、日本、前苏联和欧洲一些国 家引 进的 2 0 0 m w 以 上超高 压、 亚临界及超临界压力大功率汽轮机叶片故障。 这些 故障造成叶片损坏的形式分为损坏( 丧失基本功能，危及安全) 和损伤( 降低经济 性，能安全使用) 。 叶片 损坏形式: 折断、裂纹、 扭弯、 二次损坏及其它叶片 损 伤形式:蜂窝状、开焊、麻点、锈蚀、擦伤。 叶片故障原因分析 i叶片故障的特点;( 1 ) 叶片故障发生在低压缸的有1 3 例，古统计总数的 8 2 . 3 5 % ，而末级叶片损坏又为多发部位，有9 例，占 统计总数的5 2 . 9 4 % ,调速级 有2 例， 占 统计总数u . 7 6 % ， 中间级所占比 例很小。( 2 ) 运行维护方面的问 题是 近 期引起叶片损坏的主要原因。 由 于1 9 9 6 年以来大部分地区电力负荷需求不旺， 致 使大机组长期在低负荷下运行。 而许多 大机组末级叶片按常规基本负荷设计， 没 有考虑调峰运行和高背压运行的r 要， 在小容积流量下长期运行的性能及对寿命 损耗的影响难以 确定。由 于当 时技术水平的限制， 叶片未能按二元流方法设计， 因而气动性能较差。 末级反动度沿叶亮变化剧烈， 叶型顶部的反动度大， 底部的 反 动度小。 后者愈小， 在部分 负荷运行时愈容易 产生脱流， 进而增大叶 片动应力 响 应，并产生出 汽边水冲蚀。 这使末级叶片运行环境更差，叶片更容易出 故障。 ( 3 ) 引 进机组叶片损坏多为叶片设计制造问题。 ( 4 ) 调节级动叶及喷嘴受固体粒子 冲蚀严重，由 于不影响安全运行， 没有引 起足够重视， 但它直接影响机组效率。 2叶片损坏原因 设计原因:( 1 ) 叶片 振动特性设计不准， 使叶片 及轮系发生共振， 而引 起叶 片断裂。占统计总数的2 3 . 5 3 % ; 2 叶片设计动强度不足，使叶片出 现故障。占 统计总数的1 7 . 6 5 % 0 3制造原因: 制造方面引起的叶片事故最多。 如叶片装配的问题， 还有机械 加工的问题，占统计总数的5 8 . 8 2 % a 4 . 运行原因: 运行方面引起的叶片故障也不少。 如水蚀、 水击、 蒸汽参数低、 湿度大、 长期高周波、 低负荷运行、 频繁启停、 汽水品质不好等，占 统计总数的 3 5 . 2 9 % n 5检修原因: 检修方t i 引 起的叶片故障有更换叶片 末按规程进行， 占统计总 数的1 1 . 7 6 % 0 6叶片材料原因: 叶片材料缺陷， 造成叶片损坏的 有: 材质不良 、 选材不当、 材料热处理不当，占 统计总数的1 7 . 6 5 % , 防止叶片损坏事故的措施 天津大学硕十学位论文 第一章 绪论 1用户应作好对制造厂的叶片监造工作， 对机械加工、 装配、 检查和试验等， 特别是装配的质量， 应层层把关， 把存在的问题消灭在萌芽状态， 保证出厂产品 质量优良。 2 ， 安装过程中， 要对叶片外观进行检查， 对叶片频率进行复测， 以检查制造 厂提供叶片频率数据的真实性并建立叶片技术档案。为了防止损坏叶片，在汽、 水系统的设计、安装过程中，应布置合理的疏水系统。 3机组运行操作， 必须严格按制造厂及运行规程所规定的程序进行， 杜绝错 误的运行操作程序，以防止由于操作不当而导致叶片损坏。 4检修中，对汽轮机叶片的检查和维护应按正确合理的维修工艺进行。( 1 ) 对叶片进行外观检查， 对损伤的轮级叶片进行探伤和仔细检查， 严禁带缺陷运行。 ( 2 ) 对叶片进行静态振动频率测试，尤其对损伤的轮级叶片振动频率侧试更为重 要。 ( 3 ) 防止损伤叶片的残骸及检修工具杂物遗留 在汽缸内。 ( 4 ) 防止对布置的中、 低压缸前后隔板装错。( 5 ) 受机械损伤和水蚀的叶片在检修时应按合理的维修工 艺及时进行修复。 ( 6 ) 更换汽轮机叶片时， 叶片装配质量应符合z b k 5 4 0 1 8 -9 8 汽 轮机主要零部件( 转子部分) 加工装配技术条件”的要求。( 7 ) 对动静叶片结垢、 第1 级叶片的冲刷和末级叶片的水蚀要足够重视， 并应在大修中进行处理和修复， 否则将影响机组效率。 例如， 对于3 0 0 m w 及6 0 0 m w 机组， 由于结垢使调速级喷嘴面 积减少 0 % ， 机组的出力将减少3 % :由于外来硬质异物打击叶片损伤以 及固体粒 子 侵蚀叶片损伤， 视其严重程度都可能使效率降 低1 % - 3 % 0 ( 8 ) 对1 0 0 m w 以 上机组 进行通流部分改造， 以提高效率和增容时， 不要忽视对通流部分损伤所造成的损 失。 叶片是汽轮机中将汽流的动能转换为有用功的重要部件， 其工作环境极其恶 劣， 且每一级叶片的工作条件均不相同。 初始几级动叶片除在高温过热蒸汽中 工 作外， 同时还承受着最大的静应力、 动应力及交变应力的作用， 一般发生高 温氧 化腐蚀、 磨蚀和高 温蠕变破坏。随着过热蒸汽的膨胀作功，蒸汽温度逐渐降低， 最后几级叶片虽然工作温度较低( 6 0 0c - 1 1 0 0c ) ， 但叶片却承受蒸汽中夹杂的 水滴 的冲刷， 造成水冲蚀; 另外，运行过程中沉积在叶片上可溶性盐垢 如钠盐) 吸收 蒸汽由于温度降低冷凝出来的水分形成腐蚀性电解液覆在叶片表面， 造成电化学 腐 蚀3 ,4 1 。 与 此同 时，由 于末级叶片 尺 寸 较大， 在高 速旋转中( 约3 0 0 0 r l 2 n i n ) 产 生很大的离心力， 另外叶片还受蒸汽不稳定的周期性扰动力作用产生振动。 末级 叶片在离心力， 叶片振动以及水冲刷的复杂应力状态下， 加上工作于 具有腐蚀性 的 环 境 下， 往 往产 生 应力 腐 蚀， 腐 蚀 疲劳 ， 疲 劳 等破 坏 5 ,6 1实 际 失 效 的 叶 片 常 常是上述多种破坏方式复合的结果。 汽轮机叶片的断裂事故， 按其断裂性质可分为高周疲劳、 低周疲劳、 接触疲 天津大学硕士学位论文第一章 绪论 劳、高温疲劳、腐蚀疲劳等多种失效方式。 高周疲劳: 高周疲劳失效是指叶片在运行过程中，承受较低应力且应力循环 次数大于1 0 0 0 0 次情况下，所发生的一种疲劳方式;这种疲劳失效在火电厂的叶 片断裂事故中最为常见。 低周疲劳: 低周疲劳失效是指叶片在远行过成中， 受到外界较大应力， 或是 较大的激振力， 导致叶片经受较低振动次数即发生断裂的一种疲劳损坏方式。 高 低周 疲劳的区别还在于塑性应变量的不同: 高周疲劳时弹性应变占 主导 地位， 称 应力疲劳;低同疲劳时塑性应变占主导地位，称应变疲劳。 叶片是汽轮机的心脏部件。 处在高应力、 高温、 腐蚀环境下工作。 汽轮机叶 片的疲劳断裂失效、 一直是国内有关学者关心和研究的问题， 研究领域涉及到疲 劳断裂理论的方方面面 投入了大量的研究资金: 到目 前为止， 我国 在常用叶片 材料各类疲劳失效方面的研究已取得满意的结果， 研究内容主要包括: 新材料 开发与疲劳性能测试， 疲劳起源与机理， 断口金相学与失效分析， 优化设 计、 材质控制、 制造安装工艺的改 进， 表面处理( 如喷九 ) 以 提高疲劳 抗力， 运行与维护情况的调查。 在此基础上， 我国电站汽轮机叶片运行可靠性将不断提 高，从而带来更大的经济效益。 分析叶片的疲劳断裂原因，制订防止疲劳断裂的措施，延长叶片使用寿命， 对确保整个电站机组安全性运行具有重要的意义。 1 . 2 国内外阻尼叶片的研究发展状况 阻尼叶片 在叶片顶部加工出整体围带、 在叶型上加工出凸肩或装加松拉金) 越来越多地被应用于燃气或蒸汽轮机。 理论和实验研究证明， 阻尼叶片可以 有效 地降低动应力及对叶片起调频作用。 因此， 深入研究阻尼叶片， 探讨其各个关键 参数对叶片动力特性的影响作用， 以指导实际设计工作势在必行。 国内外学者相 继开始了对阻尼叶片的研究探索。 汽轮机叶片振动断裂所经历的阶段: ( 1 ) 精确计算叶片 组) 频谱，避开一 切共振; ( 2 ) 由动压力计算判断可能 碰上的共振危险性; 3 ) 由 激振力作功相互抵 消原理， 合理选择结构参数， 将各级叶片设计成不调频叶片，即允计一切共振。 从而达到完美境界，使汽轮机运行的安全可靠性有一个飞跃。 汽轮机叶片振动断裂曾 长期困 扰过电站机组的安全运行。 人们花了很大精 力、 较长时期才使现有机组的问题逐步得到解决。 但当新机组、 新级组投运或原 机组变动， 叶片振动断裂事故又会发生。 事故发生的原因应更多归因于设计。 一 天津大学硕士学位论文第一章 绪论 劳、高温疲劳、腐蚀疲劳等多种失效方式。 高周疲劳: 高周疲劳失效是指叶片在运行过程中，承受较低应力且应力循环 次数大于1 0 0 0 0 次情况下，所发生的一种疲劳方式;这种疲劳失效在火电厂的叶 片断裂事故中最为常见。 低周疲劳: 低周疲劳失效是指叶片在远行过成中， 受到外界较大应力， 或是 较大的激振力， 导致叶片经受较低振动次数即发生断裂的一种疲劳损坏方式。 高 低周 疲劳的区别还在于塑性应变量的不同: 高周疲劳时弹性应变占 主导 地位， 称 应力疲劳;低同疲劳时塑性应变占主导地位，称应变疲劳。 叶片是汽轮机的心脏部件。 处在高应力、 高温、 腐蚀环境下工作。 汽轮机叶 片的疲劳断裂失效、 一直是国内有关学者关心和研究的问题， 研究领域涉及到疲 劳断裂理论的方方面面 投入了大量的研究资金: 到目 前为止， 我国 在常用叶片 材料各类疲劳失效方面的研究已取得满意的结果， 研究内容主要包括: 新材料 开发与疲劳性能测试， 疲劳起源与机理， 断口金相学与失效分析， 优化设 计、 材质控制、 制造安装工艺的改 进， 表面处理( 如喷九 ) 以 提高疲劳 抗力， 运行与维护情况的调查。 在此基础上， 我国电站汽轮机叶片运行可靠性将不断提 高，从而带来更大的经济效益。 分析叶片的疲劳断裂原因，制订防止疲劳断裂的措施，延长叶片使用寿命， 对确保整个电站机组安全性运行具有重要的意义。 1 . 2 国内外阻尼叶片的研究发展状况 阻尼叶片 在叶片顶部加工出整体围带、 在叶型上加工出凸肩或装加松拉金) 越来越多地被应用于燃气或蒸汽轮机。 理论和实验研究证明， 阻尼叶片可以 有效 地降低动应力及对叶片起调频作用。 因此， 深入研究阻尼叶片， 探讨其各个关键 参数对叶片动力特性的影响作用， 以指导实际设计工作势在必行。 国内外学者相 继开始了对阻尼叶片的研究探索。 汽轮机叶片振动断裂所经历的阶段: ( 1 ) 精确计算叶片 组) 频谱，避开一 切共振; ( 2 ) 由动压力计算判断可能 碰上的共振危险性; 3 ) 由 激振力作功相互抵 消原理， 合理选择结构参数， 将各级叶片设计成不调频叶片，即允计一切共振。 从而达到完美境界，使汽轮机运行的安全可靠性有一个飞跃。 汽轮机叶片振动断裂曾 长期困 扰过电站机组的安全运行。 人们花了很大精 力、 较长时期才使现有机组的问题逐步得到解决。 但当新机组、 新级组投运或原 机组变动， 叶片振动断裂事故又会发生。 事故发生的原因应更多归因于设计。 一 天津大学硕士学位论文第一章 绪论 个好的设计， 不仅要确保运行上的安全可靠， 而且对叶片安装及运行要求比较宽 松。 回顾一下叶片振动研究的发展过程， 也许会有助于设计的完善， 事故的解决。 7 0 年代中期， 国内电站机组频繁发生叶片振动断裂事故， 机械电力两部共同 研制我国汽轮机叶片 振动安全准则。 自 7 0 年代末起始的叶片振动研究， 可以 划分 成以下3 个阶段。 叶片( 组) 频谱及振型计算新方法 首先通过计算方法分析及与实测对比， 指出了国内通用的原苏联方法存在的 问题及原因， 明确了原方法已无修补的价值， 必须顺应计算机及计算数学的发展 着手新方法的研究。 严格了力学模型， 考虑剪切变形、 转动惯量及离心力场等影 响， 拟制了基于变形谐调条件的传递短阵法。 在上海汽轮机厂的协作下首先完成 了围带直叶片组的切向 弯曲振动， 进而发展了轴向 弯曲及扭转藕合振动， 最后建 立了通用的围带扭叶片组双向弯曲扭转联合振动的频谱及振型计算( 自 然也适用 于直叶片及单叶片) 。同时，理论与试验并重，厂校合作完成了 各类振型的根部 牢固试验修正曲 线( 传统的 试验修正曲线经考核仅仅适用于切向弯曲 低阶振型) ， 使各类振型的计算频值经修正后具有实用价值。经1 0 余级叶片的实测与计算对 比， 计算频谱完整， 数值准确可靠， 尤其是易产生振动断裂的叶片组切向弯曲 b 4 型振频。 叶片动应力及其安全性考核 叶片及叶片组固有额率有很多， 尤其是围带叶片组， 是不是都有产生共振断 裂危险而必须避开呢? 在电站汽轮机或工业汽轮机中， 这个问题都曾困扰过设计、 涉及过对一个转子运行安全性的评估。 为了搞清这个问题， 我们对叶片动应力进 行了研究。 叶片动应力的计算是基于能量守恒原理， 即 在稳定的共振状态下， 在一个振 动周期内. 汽流激振力对叶片组各叶片在切向、 轴向 及扭转方向 所作的功等于叶 片组各叶片在上述三个方向 运动时阻尼所消耗的能量， 由 此导得该振型的共振幅 值 从而得到沿各叶片叶高的动应力分布以 及围带 铆钉、 叶根的动应力。 同时， 根据叶片的合成静应力， 由 材料疲劳试验曲 线求得材料的疲劳许用应力， 在考虑 结构条件、 运行条件等作出的修正后求得叶片的许用动应力， 以 此来考核叶片动 应力的安全性。 研究结果表明， 尽管叶片组固有频率很多， 但其相应振型的动应力大多是不 危险的， 甚至是微小的， 只有少数据型的共振才必须避开。 我们曾对好些事故叶 片及改进后安全运行叶片作上述动应力计算及其安全性分析， 其结论与实际情况 符合一致。 鉴于在电站汽轮机及工业汽轮机叶片事故分析及改进上的成功应用，“ 叶片 天津大学硕士学位论文 第一章 绪论 动应力研究及其在工业上的应用” 。 运用叶片动应力手段，协助锦西化机厂取得 “ 法型k t 1 5 0 1 高压新转子研制” 成功。 降低叶片动应力的有效途径及叶片不调频设计 长期以来， 国内 外学者及工程技术人员， 致力于避开叶片的共振， 在理论计 算上、在测试上花费了很大精力。但由于安装及运行情况的复杂性( 例如叶根夹 持受装配紧度、离心力及运行温度下材料差胀的影响而使叶片固有额率变化) ， 仍难尽人意。 用动应力计算， 若判断叶片某振型 共振不安全， 而调额又无充分把 握， 那 么 有没有办法大幅度降低其动应力，使其共振亦无妨即设计成不调额叶片昵 2 ( 当然不能以降低级功率为代价) 。 由动应力计算得到启发， 动应力的大小取决于汽流激振力对叶片组整体作功 的大小。 当激振力方向与叶片运动方向 一致时， 激振力对该叶片作正功， 当两者 方向相反时， 激振力对该叶片作负功， 或者说抵消了激振力对叶片组所作正功的 一部份，抵消得越多，则该振型动应力越小。 这样， 可以利用振型与激振力间相位差( 两者皆为交变波形) ， 使汽流激振动 在叶片组各叶片或同一叶片的上下部位作功相互抵消或大部抵消， 以降低动应力 达到消振目的。在这一思想指导下提出了多项结构新措施。 合理选择动静叶片节距比。 根据可能碰上的共振振型， 合理选择动静叶片节距比。 若级动叶数不 变， 则 为选择级静叶数。 实质上即选择合适的激振力作功抵消方案。 选择合适的节距比， 即使共振亦无妨。 谐波围带。 合理选择组内叶片数， 使围带叶片组长度接近或等于低倍激振力 谐波长度， 激振力对同相振型的各叶作功近乎抵消， 大大地降低了低倍激振叶片 组基额动应力( 叶片组切向 弯曲 a o 振型) 。 美国 西屋公司也发现了这一 规律， 所作 该共振试验几乎感不到振动。 三菱重工也有类似报道。 综上所述， 不论是中、 短叶片或是长叶片都存在着大幅度降低动应力的办法， 或消除共振、 或约束共振、 或远离共振， 各种结构新措施还会不断涌现， 这些不 仅由我们动应力理论所揭示， 也己为国外测试、 新技术及专利所证实， 即使处于 共振状态其动应力亦甚低， 从而彻底解决了生产上将叶片调离共振的难题， 避免 了因计算与实际运行状态叶片频率的出 入而产生的叶片断裂事故。 这样， 在设计 上不再需要花费很大精力去研究固有频率的精确计算， 制造安装上不再要求那么 苛刻， 机组大修不必复测调频， 而运行上也免除了约束。 更主要的是将汽轮机运 行安全可靠性跃上一个新的台阶。 而且， 在低动应力水平下运行的叶片， 可以 大 大提高其疲劳寿命， 亦即提高了转子的使用寿命， 即使机组起停或负荷变化较频 天津大学硕十学位论文第一章 绪论 繁， 如前述大连发电总厂机组。 汽轮机各级叶片的不调频设计已 是一个必然趋势。 原来已采用不调频设计的高压级叶片是通过限制叶片的汽流弯曲应力亦即降低 级功率而设计的， 若采用本文所述降低动应力措施可以提高级功率， 从而减少高 压缸级数、缩短机组长度。 为了解决叶片振动问题， 采用摩擦阻尼减振的方法来解决叶片振动故障是一 个很有效的途径。国外在这方面从a s 年代至今已进行了广泛的研究，他们从摩 擦减振的机理入手， 建立分析模型和进行大量工程应用实验。 从己 在航线上使用 的发动机看， 风扇凸肩叶片的凸肩排已从单排发展到三排， 可见他们的设计使用 经验已相当成熟。 凸 肩( 叶冠 ) 叶片摩擦阻尼减振机理 研究 高性能燃气涡轮发动机转子叶片的成功设计， 取决于它是否能避开高循环疲 劳 破坏。 换句话说， 它必须避开颤振不稳定和共振响应( 它来自 进气畸变流和导 向 叶片尾迹激振) 所造成的高应力振动疲劳破坏。高性能发动机风扇压气机叶片 和低压涡轮叶片通常采用大展弦比 长叶片结构。这种叶片为了避开颤振和共振， 通常 采用部分凸台 ( 凸肩) 和叶冠( 常用于涡轮叶片) 结构: 其主要目 的 在于: ( i ) 在 叶 身 ( 或 叶 尖 ) 上加辅助支 撑，以 改 变叶 片的 刚 度、 固 有频率、 振 型和 振 动应力 分 布， 使长叶片原来存在的 颤振不稳定和工作转速范围内的 共振得到调整: 使颤 振 不 发生 ( 位于稳定范围 ) 和使 其共 振主 要振 型 调出 主 要工作转 速范围。 ( z ) 摩 擦阻 尼 减振， 相邻叶片凸肩间接触面的相对滑动产生非线性的摩擦阻尼运动。 这种运动 能 耗散凸 肩叶片( 或叶冠叶片)/ 盘系 统的振动能量. 达到抑制颤振和 共振的目 的; ( 3 ) 同时采用缘板阻尼块减振， 耗散或吸收振动能量， 达到减小共振峰 值应力的 目的。 国内外的许多专家，完成了大量的 试验与分析程序研究，发表了 许多文章。 他们的研究特点是从凸 肩( 叶冠) 接触时相对运动摩擦机理入手， 通过大量实验研 究确定接触对摩擦的本构参数及其与叶片振动响应的相应关系， 从而建立单自由 度分析模型、 多自由 度分析模型和相应的计算程序， 所有这些都密切伴随着试验 验证。 许 愕 俊、 田 忠 贤 17 )还 对峰 值 响 应的 计 算 作了 研究。 设 计 摩 擦 系 统 部 件 需 要 一 个最佳静态预载荷 n o 来取得最佳摩擦载荷。例如，在凸肩风扇级中，是靠选择 一个适当的紧度参数来完成的，而在涡轮叶片的情况下， 这个n q 值是靠阻尼器 的 质量来建立的，因为 这个装置放置的 地 方与摩接力相联系的 法向 载荷n是离 心加速度控制的。 为了 得到摩擦单元最大的有效性， 就需要确定一个能对一个规定的 激励水平 和所有感兴趣的频率上得到最小峰值响应的 n o 值。每个摩擦循环能量的耗散是 天津大学硕士学位论文第一章 绪论 正比于平均滑动载荷乘以距离d ， 亦即粘滞滑动的距离。 如果n o 是小的， 则平均 滑动载荷也就小，由 摩 擦耗散的能量也小，因 此峰值振幅也就大。 如果 n o 被增 加。 则平均滑动载荷增加， 这时d 减小， 因为滑动粘连被大的法向载荷约束得更 多。 每个循环能量耗散的总量， 开始是随着平均滑动载荷的增加而增加， 而后是 随着粘连接近于锁住状态而逐渐减小。d则趋向于零。这就存在着一个最佳 h 6 值，使得摩擦能量耗散最大，而峰值响应最小。 从上述的讨论中， 可以清楚地看到: 对于设计的目 标主要是响应量， 它作为 静态预载荷n o ,峰值响应a m 和共振频率。 m 的函数关系必须被计算得精确。 缘版摩擦阻尼器是叶轮机械中一 种非常简单有效的 减振措施。 研究表明 x 1 利用金属摩擦阻尼器可以有效地降低叶片的振动;通过合理选择阻尼器的质量 ( 即正压力) ，可以最大限度地降低叶片的弯曲 振动应力，即存在一最优正压力; 并且随着激振力的 增加， 这一最优正压力也将随 之增加。 实际的发动机中， 摩擦阻尼器放在两叶片之间的缘板下面， 通过发动机旋转 所产生的离心力使摩擦阻尼器与叶片的缘板之间产生正压力， 在叶片振动过程中 缘板与摩擦阻尼器闷的接触面产生摩擦， 从而达到消耗能量， 降低振动应力的目 的。由于在一定的转速下， 正压力的值取决于阻尼器的质量， 因此， 设计时 可以 通过合理选择阻尼器的质量来达到最佳的减振效果。 摩擦阻尼块安装在叶片缘板下方， 工作时靠离心力提供阻尼块与叶片之间的 正压力， 叶片振动时， 阻尼块通过摩擦传递载荷， 当接触面之间发生滑移时利用 干摩擦消耗叶片的振动能量， 降低叶片振动应力， 从而提高叶片的寿命。 对阻尼 块进行优化设计就是要通过调整阻尼块参数尽可能地降低叶片共振应力。 由干摩 擦过程可能出现滑动、粘滞、粘一 滑多种情况， 使得分析过程在数学上表现为 求 解高度非线性问 题。 到目 前为止， 摩擦块的设计仍离不开经验与实验， 但经过多 年的研究， 无论是从物理模型到数学模型的简化， 还是针对数学模型寻求切实可 行的非线性分析方法都取得了很大进展，为阻尼块的优化设计提供了理论依据。 阻尼块的最优设计 g r i f f i n 首先对单自 由 度叶片一阻尼块b - g 模型 进行了 优化设计计算t9 1 ， 给出 了接触面最优正压力以及叶片响应幅值的计算公式， 结果经适当转化即可推广应 用到b - b 模型中。由于采用的是单自由度模型，无法考虑摩擦面在不同正压力作 用下叶片模态参数的改变， 当阻尼块刚度与叶片刚度相当时， 采用这种模型计算 叶片响应将导致产生 较大误差。 文献t l o l 建议采用插值方法， 根据叶片与阻尼块之 间全固定、 全滑动时的模态参数以 及接触面间 不同的滑移量来调整模型的模态参 数。 此外g r i f f i n 模型中 接触面简化为单点接触的宏观滑移模型， 忽视微动摩 擦 所造成的阻尼而使优化结果偏于保守。事实上阻尼器的优化是不可能一步完成 天津大学硕士学位论文 第一章 绪论 的， 因为改变阻尼块的质量同时会导致其刚度的变化， 而阻尼器的刚度直接影响 其 减 振效果。 文 献(4 i 建议将分析设计 与 实 验 检验 相结合， 阻 尼刚 度 及摩 擦系 数的 选择应使分析模型尽可能与实验结果相符合。 v u s z y n s k a 等将叶片简化为集中 质量一弹簧系统， 模型一定 程度 上考虑了 叶 片的接触刚度， 当代表缘板与阻尼块相接触的下侧质量处于粘滞状态时， 代表叶 尖的上侧质量仍可以振动， 即这种模型可以 考虑叶片在高的正压力下 模态振型的 改变 更加符合叶片真实的运动情况， 但是这类模型中均没有考虑阻尼块接触刚 度，所得优化结果往往高估阻尼器的减振效果。如采用这种模型进行响应计算， 叶片 振动峰值可降低两个数量级， 而实际当中 减振效果不可能 这样好。 文 献1 1 1, 1 2 1 应用这种模型研究了非协调叶片组阻尼块的优化问题， 结果表明对协调叶片组阻 尼块进行优化的结果对非协调叶片组同样适用， 即计算叶片振动响应时可以分别 考虑非协调及摩擦阻尼造成的非线性影响， 同时阻尼器的优化设计可只考虑协调 叶片组的情况， 而协调叶片组又可以 转化为 研究单个叶片， 使得设计过程的计算 量大大降低。 利用叶片的有限元模型对阻尼块进行优化可以自 动考虑叶片、 阻尼块接触刚 度。 文 献 1 3 1 用 梁 单元 建立叶片的 有限 元 模型， 用 谐波平衡法 将非线 性 接 触 力线 性 化计算了叶片的