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《汽轮机间隙气流激振力分析》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。
1、2001年4月中国工程科学Apr12001第3卷第4期EngineeringScienceVol13No14研究报告汽轮机间隙气流激振力分析柴 山,张耀明,曲庆文,赵又群,姚福生(山东工程学院,山东淄博 255012)[摘要]基于流体动力学,应用动量定理研究汽轮机直叶片、短扭叶片、长扭叶片以及汽轮机调节级由于间隙引起的气流激振力问题,综合考虑了叶片的各项设计参数并应用理论分析方法导出普遍适用的计算公式,解决了Alford公式中需人为选取效率系数的困难。数值实验的结果表明,所导出的计算公式是可靠的。[关
2、键词]汽轮机;气流激振力;流体动力学Tβe1 前言Fty=DH,(2)式中T为叶轮上的扭矩,D为叶片中央处的直汽轮机叶轮偏心造成圆周方向叶尖间隙分布不径,H为叶片高度,β为系数。均匀,由于叶尖间隙不均匀,同一级中各叶片上的气动力就不相等,因此,叶片上的周向气动力除合成一个扭矩外,还合成一个作用于转子轴心的横向力。这一横向力随叶轮偏心距的增大而增大,是转子的一个自激激振力,该力引起转子的进动(涡动),在一定条件下会引起转子的失稳。早在1958年,德国的托马斯(H1J1Thomas)在研究蒸汽涡轮机时就首
3、先提出了这一问题,并称为“间隙激振”。1965年,美国的阿尔福德(J1S1Alford)在[1]研究航空发动机稳定性时也指出了这一问题,人们习惯上将该激振力称为阿尔福德(Alford)图1 叶尖间隙及Alford力示意图力。Fig11SketchofAlfordforceandclearanceThomas的计算公式为m0λudξspFty=··e,(1)以上的研究结果都是基于叶轮的局部效率损失2dδ而得到的,并且在实际应用中都存在着许多缺陷。式中 m0为总气体流量,λ为压力系数,u为叶例如Thoma
4、s公式中的dξsp/dδ难以计算;而试验片中央处的切线速度,ξsp为局部效率损失,δ为结果表明,Alford公式中的系数β是一个与叶轮结叶尖间隙,e为偏心距(见图1)。构、扭矩大小有关的量,不是一个常数,因而难以Alford的计算公式为选取合适的值。由于以上原因,Thomas公式和[收稿日期]2000-10-12;修回日期 2000-11-23[基金项目] 国家攀登计划资助项目(PD6521900),国家自然科学基金资助项目(19990510)[作者简介] 柴 山(1955-),男,山东章丘市人,山东
5、工程学院教授©1994-2007ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.net第4期柴 山等:汽轮机间隙气流激振力分析69Alford公式实际上还只是定性地说明Alford力的公式,用这两个公式是难以依据实际结构和参数计算出激振力的大小的。针对Thomas和Alford公式存在的不足,人们又做了许多修正、改进工作,并对其引起的转子失稳机理进行了一些研究。参考文献[2]对有关间隙气流激
6、振力的研究工作做了一个综述。但正如参考文献[3]所指出的那样,其失稳机理很复杂,定性地讲主要是流动介质对偏心转轴产生一个切向叶尖间隙激振力,要实现定量分析,图2 汽轮机叶片轴视简图(左)与示意图(右)首先需要找到该激振力与轴的偏心之间的关系。Fig12Isometicsketchofbladesofsteamturbine针对目前有关Alford力的研究还很不完善的情况,在国家攀登计划和国家自然科学基金资助下,作者开展了关于Alford力的研究,从流体动力学出发,导出了汽轮机直叶片、扭叶片在均匀气流场
7、的Alford力的计算公式以及汽轮机调节级在部分进气工作状态下的Alford力的计算公式。2 基本假设与分析方法假设1忽略叶栅间气流场的边界层厚度及气流的边界效应,认为叶栅间气流场为均匀气流场。汽轮机叶片简图如图2所示。由动量定理的微图3 气流在静、动叶片间流动示意图分形式,气道内气流所受叶片力的冲量为Fig13SketchofairflowingbetweentheF′dt=d(mv),(3)staticbladesandmovingblades式中F′为气流所受叶片作用力;m为气体质量,v为气体流
8、速。 假设2设动叶片与静叶片间隙等于零的理想在动叶片气道内取一微元状态的气流密度为ρ0,根据均匀气流场的假设和m=Vρdt,(4a)质量守恒定律,当动叶片与静叶片存在间隙δ时,式中V为气流流量;ρ为气流密度。由图1可见,有以下关系:于是式(3)变为22222F′dt=Vρdtdv=Vρdt(vρ0(RT-RB)=ρ[(RT+δ)-RB],(9)2-v1),(4b)式中v2,v1分别为气流出口速度和进口速度。于是气流密度为ρ为22在该微元上应用动量定理的
