超超临界汽轮机末级叶片的强度及振动特性分析

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1、第24卷第10期电力科学与工程Vo1-24．NO．10Dec．,20084l2008年l2月ElectricPowerScienceandEngineering超超临界汽轮机末级叶片的强度及振动特性分析朱德勇，姜华伟，高建强(1．华能广东分公司，广东汕头515071；2．华北电力大学能源与动力工程学院，河北保定071003)摘要：针对超超临界汽轮机末级叶片普遍采用的整圜自锁扭叶片结构，利用有限元法及试验方法分析了叶片强度及振动特性。关键词：超超临界；汽轮机；末级叶片；强度；振动；有限元中图分类号：TK263文献标识码：A转子上时，相邻叶片的围带(凸台)之间留有间隙。0引言

2、当汽轮机运行时，叶片由于离心力的反扭作用使得相邻的围带(凸台)发生接触，接触力随着转速增汽轮机叶片长期运行在极为复杂的工作条件加而增加，最终在额定转速下使得整圈叶片形成连下，并在运行中承受着拉力、扭力和振动应力等组续耦合的系统，增加了系统刚度，减少了调频阶成的复杂应力⋯。叶片故障直接影响机组的安全经数，降低了共振风险，提高了叶片的振动安全性H。济运行。从国内统计数据看，叶片损坏事故占汽轮超超临界汽轮机末级叶片的叶根主要采用圆弧机事故的30，而末级叶片损坏占叶片故障统计枞树型叶根和叉形叶根。总数的52．94％。其中60-80％的叶片损坏原因是振动破坏，l7．65％故障是叶片

3、的动强度不足。这2叶片的应力计算分析些故障相当一部分是因叶片设计偏差造成的。超超临界汽轮机组的功率更大，末级通流面积汽轮机叶片的几何形状复杂、所承受的应力不更大，从而需要更长的末级叶片。末级的长叶片结规则，很难得到应力的解析解，常采用数值分析方构，降低了叶片的刚性，也使叶片运行时扭转恢复法求取近似解。有限元法是最常用的数值分析方角增大，相应降低了叶片抵抗动应力的能力p，这法，它把求解区域看作由许多小的节点处互相连接也大大地增加了叶片振动时损坏的可能性。此外，的子域(单元)所构成，其模型给出基本方程的分蒸汽参数的提高也使叶片的工作条件愈加恶劣。因片(子域)近似解。由于单元(

4、子域)可以被分割此研究超超临界汽轮机末级叶片的强度及振动特性成各种形状和大小不同的尺寸，所以它能很好地适具有十分重要的意义。应复杂的几何形状、复杂的材料特性和复杂的边界本文以超超临界1000MW汽轮机末级叶片条件，因而在汽轮机叶片设计中得到了普遍应用。为研究对象，介绍其强度和振动特性的研究方法。2．1有限元应力分析步骤(1)划分单元，选取坐标系(局部和整体)，标1末级叶片结构明节点码和单元码。(2)给出初始参数。超超临界汽轮机末级叶片在结构上普遍采用凸(3)计算节点载荷列阵P(外加节点载荷+等台式阻尼拉筋、整圈自锁扭叶片。整圈自锁叶片在效节点载荷)。叶顶自带围带，在叶片中

5、部带有凸台。叶片安装在(4)计算单元刚度矩阵收稿日期：2008—08—06．作者简介：朱德勇(1965一)，男，华能广东分公司高级工程师42电力科学与工程2008正(5)形成总刚度矩阵。(6)引入边界条件。3叶片的振动特性计算分析(7)解方程组，求节点位移。(8)求单元内力(或应力)。叶片是几何形状复杂的三维实体，叶片的安装2．2有限元应力分析实例角、展弦比、长、宽、厚及扭角等都是振动问题必以哈尔滨汽轮机厂设计的48英寸(121．92cm)须考虑的重要几何参数。借助计算机采用有限元末级叶片强度计算为例，叶片的叶高为12l9．2法对叶片振动特性进行数值计算分析，技术日益成m

6、m，根径为1879．6mm，环形面积为11．87m，熟，给振动分析带来了很大的便利。叶顶圆周速度为678m／s，端负荷为11kg／s／m。。超超临界汽轮机末级叶片经常采用整圈白锁叶图1为末级叶片应力有限元的分析计算结果，图2片结构，这种结构的有限元离散自由度很大，在分为叶根应力有限元的分析计算结果，表1为局部最析中通常采用降价技术。目前采用较多的是波传动大应力与许用应力的比较。计算结果表明，叶片的方法与模态综合法。而在结构动力分析中，模态综最大局部应力均小于屈服应力，低周疲劳没有风险。合方法可以从量级上缩减自由度而又不影响分析问题本质，因此这种方法在对复杂结构的动力分析中

7、得到广泛应用，也为叶片的振动特性分析提供了一个很好的途径。3．1叶片的振动特性——固有频率和主振型叶片的固有频率和主振型只与结构的刚度特性(材料的弹性模量、截面的几何特性和边界条件)和质量分布有关，可利用自由振动的微分方程式来分析它们。3．2求叶片的振动固有频率和主振型的有限元法计算叶片的固有频率及振型是动力分析中的基本内容。实践证明，阻尼对叶片的固有频率和振型影响很小，所以计算频率和振型时可略去。令激振力为零，振动方程式变成无阻尼自由振动方程式：压力侧吸力侧M3(t)+Kd(t)=O图1叶片应力有限元分析结果在自由振动时，各