汽轮机叶片疲劳寿命与故障诊断研究

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1、汽轮机叶片疲劳寿命与故障诊断研究[摘要]总结了目前国内外用来分析汽轮机叶片振动特性各种力学模型的特点，指出三维实体单元可以准确地拟合叶片的复杂几何形状，很好地反映叶片的局部应力状态，是研究汽轮机叶片振动特性较好的力学模型。概述了汽轮机叶片疲劳寿命预测、振动测量和故障诊断研究的基本方法和国内外发展状况，探讨了我国当前研究中存在的问题和今后的发展方向。[关键词]汽轮机；叶片；疲劳寿命中图分类号：TG332.1文献标识码：A文章编号：1009-914X（2014）47-0074-010引言6汽轮机叶片疲劳寿命与故障诊断研究[摘要]总结了目前国内外用来分析汽轮机叶片振动

2、特性各种力学模型的特点，指出三维实体单元可以准确地拟合叶片的复杂几何形状，很好地反映叶片的局部应力状态，是研究汽轮机叶片振动特性较好的力学模型。概述了汽轮机叶片疲劳寿命预测、振动测量和故障诊断研究的基本方法和国内外发展状况，探讨了我国当前研究中存在的问题和今后的发展方向。[关键词]汽轮机；叶片；疲劳寿命中图分类号：TG332.1文献标识码：A文章编号：1009-914X（2014）47-0074-010引言6叶片是汽轮机的重要零部件，在汽轮机中承担着把蒸汽的热能转化为机械能的重要任务。叶片在运行过程中不仅要承受离心拉应力、弯曲应力及气流脉动所造成的动应力，还要受

3、到蒸汽的冲蚀、固体颗粒的磨蚀和水质不良所造成的腐蚀作用等，工作环境非常复杂，叶片事故时有发生。而造成叶片事故的原因绝大多数是疲劳断裂。调查表明，运行中叶片事故约占汽轮机事故率的40%，造成了巨大的直接和间接经济损失。20世纪70年代我国电力部门曾对100一200MW汽轮发电机组的33次叶片事故情况进行了统计分析，平均每次叶片事故所造成的直接经济损失达1000万元人民币。因此，国内外对叶片的安全性和可靠性提出了愈来愈高的要求。汽轮机叶片的疲劳寿命与故障诊断研究涉及材料力学、振动力学、计算力学、流体力学、金属材料学、断裂力学、振动信号分析及故障诊断学等多门学科，是一

4、个跨学科综合性课题。本文就这一问题几方面的研究现状作一简要概述。61、叶片的力学模型汽轮机叶片从调节级到末级形状多样，且多达数千片，强度和振动特性是汽轮机叶片设计时的最重要参数。一般计算时对汽轮机叶片采用的有限元分析模型有：梁类模型、板壳模型和三维实体模型。早期的叶片振动频率计算均采用的是能量法和传递矩阵法。后来，人们开始考虑叶片的弯扭祸合、剪切变形、转动惯量和叶根柔度的影响，从不同的角度建立梁类模型。西安交通大学在研究带阻尼结构汽轮机叶片振动特性时，采用了扭曲梁单元。梁类模型的优点是计算量小，程序结构简单，方法成熟，适合于长叶片的振动特性分析。缺点是模型较粗糙

5、，自由度少，不能精确计算叶片局部应力和变形，如拉筋、围带等处的应力集中。近年来对叶片的振动特性进行研究时，有人采用薄壳模型、四边形板壳单元和厚壳单元进行计算分析。采用板壳模型对于小展弦比的汽轮机中长叶片和压气机叶片是合理的，一些文献研究得到了满意的计算结果。但对于分析像调节级这样的短叶片，因其模型假设与实际结构存在较大差别，使得计算结果误差较大，而且在处理叶片组的复杂连接上也显得力不从心。有研究认为，对几何形状复杂的叶型，因其受载荷而成为多轴应力状态，必须采用三维实体单元来模化。随着计算设备、计算方法以及工程上对叶片设计要求的提高，采用三维有限元方法对叶片进行计

6、算分析己是发展趋势。国外有采用三维8节点等参实体单元模化叶片的例子，并且使用通用有限元分析软件ANSYS对叶片的应力和振动特性进行分析，计算了叶片的疲劳寿命。美国Sn（StressTeehoologyIncoprorated）在ANSYS的基础上开发的汽轮机叶片寿命分析软件BLADE（BladeLiefAlgorithmofrDesignEva】uatino）采用了三维8节点等参实体单元模化叶片。西安交通大学采用8节点非协调元计算叶片的振动特性和应力也得到了令人满意的结果。对于有裂纹的叶片，有人采用直梁和扭曲梁单元来模化叶片，在裂纹处引入铰链单元，铰链单元的刚度

7、通过计算和试验确定。综上所述，在当前计算机硬件的发展水平下，采用三维实体单元分析叶片（包括带裂纹）已成为可能。三维单元有很强的几何适应性，可以准确地拟合叶片的复杂几何形状，很好地反映叶片的局部应力状况。2、叶片疲劳寿命的研究6汽轮机叶片在运行时，不可避免地受到蒸汽的冲蚀、固体颗粒的磨蚀、水滴的水蚀、环境介质的腐蚀和应力集中作用，随着使用时间的增加，产生疲劳裂纹。汽轮机叶片的疲劳寿命可分为裂纹萌生寿命和裂纹扩展寿命。裂纹萌生寿命定义为：叶片中形成一个工程可检尺寸（约为1mm）的裂纹所需的循环周次，一般占叶片寿命的主要部分；裂纹扩展寿命是指叶片中从形成一个工程可检尺

8、寸的裂纹扩展到断裂所需的