汽轮机叶片激振力模型和计算方法

详细研究了在稳定运行工况时影响汽轮机叶片激振力的主要因素。在建立抽排汽口、有偏差的静叶流道、静叶尾迹、冲角等各主要影响因素模型的基础上建立了通过傅立叶谐波分析定量确定各阶谐波激振力的一整套力学模型和数值计算方法。计算结果从一般规律上给出了各阶谐波激振力量值与其主要影响因素之间的关系，在确定叶片激振力和动应力计算中直接应用，不仅具有理论意义，且有工程实用价值。     

叶片事故的探讨

本文统计了我国目前叶片事故主要发生于汽流非均匀流动的区域,简述了我厂N75-90型机的323mm和432mm叶片的设计、试验及其断裂事故的概况。着重分析了级后抽汽引起干扰激振力的各阶谐波的幅值和汽缸相应结构的关系,推导出两只抽汽和单只抽汽管道的各阶干扰力谐波的计算关系式;并     

超超临界汽轮机调节级叶片的汽流激振力研究

采用CFD方法,以某典型超超临界机组为对象,研究了部分进汽条件下叶片所受的不平衡激振力,并进行了动应力分析;对不同进汽方式下的汽流激振力的频谱进行了研究,所做工作可以为汽轮机叶片设计提供理论依据。     

汽轮机叶片激振力分析及优化

分析了汽轮机叶片的激振源并建立了激振力数值计算模型，在此基础上，应用谐波分析技术对转速倍率的各阶谐波激振力分量给出定量结果，建立激振力对相关参数敏感度的计算方法。     

大型汽轮机汽流激振研究现状及展望

分析和总结了大型汽轮机汽流激振的产生机理及特征。对国内外汽流激振研究概况作了介绍,并重点对效率系数β的取值进行了介绍和分析,认为β值与偏心、叶顶间隙、叶距、叶片进出β相对汽流角及升力系数等诸多因素相关,且取值跨度较大。从加大转子刚度、增大系统阻尼和减小汽流激振力等方面对汽轮机汽流激振的预防及消除措施进行了总结,最后从效率系数β的取值、非线性动力学问题的求解、汽封的形式、叶片激振力的优化及轴系稳定性等5个方面对大型汽轮机汽流激振的研究存在的问题及今后的研究方向做了展望。     

大型汽轮机中汽流激振对轴系稳定性的影响

文章阐述了汽流激振力的分类及各种激振力的计算，对考虑汽流激振后轴系稳定性的计算方法进行了论述，并结合一工程实例计算了汽流激振对轴系稳定性的影响，最后提出了相应预防和解决措施。     

600 MW汽轮机叶轮偏心汽流激振力分析与模拟

以某发电厂超临界600 MW汽轮机转子为研究对象,根据蒸汽做功原理对动叶流道处的动偏心激振力进行了分析.在围带汽封处采用CFD软件模拟涡动转子泄漏蒸汽的三维黏性流场,确定了汽流激振力.计算结果表明:在不对称进汽工况下,转子将受到较大的静态汽流力;当采用对称进汽时,汽流激振力很小,有利于提高转子的稳定性;与额定工况比较,在阀门全开(VWO)工况下,径向激振力的增幅很大,而切向激振力和泄漏量的增幅却很小,表明大型汽轮机采取对称进汽方式可以提高转子运行的稳定性.     

考虑kick效应的汽轮机调节级叶片安全性分析

采用喷嘴配汽的汽轮机调节级，部分进汽不仅对机组的气动性能和效率产生影响．而且还会产生很强的汽流激振力，影响到其自身和整个机组的安全性能。文章首先基于ANSYSCFX，计算了某调节级叶片的全三维气动特性．对调节级非定常气动特性和汽流激振力的变化进行了研究．分析得到了动叶进出不进汽弧段所受到的汽流载荷急剧变化的现象，该现象被称之为调节级的kick效应；然后基于ANSYS的结构动力学模块．考虑kick效应对调节级动叶在考虑气流载荷下的动响应进行了分析；最后，根据动响应计算结果，对调节级的安全性进行了评价。整个研究过程和结论．对于调节级的安全性设计具有重要的工程参考价值和指导意义.     

调节级非定常流动与汽流激振力数值研究

采用ANSYS-CFX商用软件数值研究了亚临界600MW汽轮机调节级在不同工况下的三维非定常流动特性与汽流激振力的变化规律。结果表明:随着调节阀门的开启,调节级后的压力升高,焓降和功率逐渐减小,级效率升高,余速损失减小;部分进汽调节级会对动叶产生明显的激振力;在进汽弧段,动叶激振力变化均匀,而从进汽弧段旋转到非进汽弧段以及在喷嘴端面附近时,汽流激振力会发生很大突变。两阀全开时动叶受切向力最大,随着阀门的开启,叶片受切向力逐渐减小。动叶片受到的低频激振力频率集中区域均小于1 000Hz,远小于高频激振力频率。     

某亚临界机组发生汽流激振故障分析和处理方案

通过对某亚临界325MW机组发生汽流激振故障案例进行整理,归纳分析了汽流激振事故原因,得出蒸汽激振力过大为汽流激振的主要原因。从发生部位、低频振动频率特征、低频振动振幅变化、运行参数的关系以及其他相关特征几个方面分析了汽流激振的主要振动特征。根据分析结果,总结提出了汽流激振故障诊断的依据,并提出处理方案降低蒸汽激振力、提高轴瓦稳定性等主要措施预防汽流激振故障,为机组安全稳定运行提供技术保证。     

计算汽轮机叶片动应力的谐响应分析法

将谐响应分析法应用于汽轮机叶片的动应力分析。首先用有限元方法对汽轮机叶片进行模型简化并计算出叶片的动频，然后应用模态叠加谐响应分析计算出叶片位移的动态响应，进而对位移动态响应进行扩展分析求得叶片的动应力。     

Reliability design method for steam turbine blades

Based on theories of probability and statistics, and taking static stresses, dynamic stresses, endurance strength, safety ratios, vibration frequencies and exciting force frequencies of blades as random variables, a reliability design method for steam turbine blades is presented. The purport and calculation method for blade reliability are expounded. The distribution parameters of random variables are determined after analysis and numerical calculation of test data. The fatigue strength and the vibration design reliability of turbine blades are determined with the aid of a probabilistic design method and by interference models for stress distribution and strength distribution. Some blade reliability design calculation formulas for a dynamic stress design method, a safety ratio design method for fatigue strength, and a vibration reliability design method for the first and second types of tuned blades and a packet of blades on a disk connected closely, are given together with some practical examples. With these methods, the design reliability of steam turbine blades can be guaranteed in the design stage. This research may provide some scientific basis for reliability design of steam turbine blades. __________ Translated from Chinese Journal of Applied Mechanics, 2007, 24(3): 331–335 [译自: 应用力学学报]     

大功率汽轮机高温叶片蠕变特性数值研究

近年来汽轮机朝着大功率、高参数方向快速发展,汽轮机进口蒸汽温度不断提高,导致叶片的工作环境进一步恶化.叶片作为汽轮机的核心部件,其安全性直接影响汽轮机机组的运行状况,因此研究高温条件下叶片的强度和蠕变特性非常重要.以某大功率汽轮机高温叶片为例,构造了叶片和叶轮三维有限元模型,采用商用有限元软件ANSYS分析了离心力和温度场共同作用下的叶片热弹性应力及变形;然后,应用诺顿模型分析了该叶片经历100 000 h蠕变历程的应力和应变.建立了完整的汽轮机叶片蠕变特性分析数值模型,研究工作为汽轮机叶片的静强度和蠕变特性研究提供了具体的方法,所得结论对于高温叶片设计具有指导意义.     

大功率汽轮机末级长叶片三维动态应力及服役寿命的研究

提出了一种预测汽轮机叶片服役寿命的综合数值模型.首先,开发了分析汽轮机叶片激振力、动频和动应力的计算模型,基于动应力的分析结果,提出了考虑制造和腐蚀环境等多种因素的汽轮机叶片服役寿命模型.给出了叶片材料的疲劳特性试验结果,为叶片寿命分析提供了必要参数据.此外,还对汽轮机末级680 mm叶片进行了分析.结果表明:所建立的叶片激振力、动频和动应力分析模型具有良好的工程精度,开发的叶片服役寿命分析模型可以定量考虑影响叶片寿命的各个因素,从而为在设计阶段及运行中保证叶片的可靠性提供了有力的依据.     

深度调峰运行时汽轮机低压叶片的安全性分析

为了满足电网深度调峰和供热的要求,低压缸需要长期在低负荷甚至零出力工况下运行。本文以某660 MW汽轮机为对象,对其深度调峰和供热工况下低压叶片的通流特性和运行安全性问题进行了研究,得到了不同排汽压力时低压末级叶片的流场分布以及相关参数随背压变化的规律,分析计算了叶片所受汽流弯应力,确定了汽流弯应力随背压的变化。结果表明：该机组在深度调峰和供热的小容积流量工况下,叶片所受汽流弯应力很小,满足不调频叶片的设计要求,能够保证机组安全稳定运行;小容积流量工况下,汽轮机的排汽压力降低,真空度提高,其低压部分摩擦鼓风损失大幅度降低,鼓风发热问题减少,汽流弯应力降低,汽轮机可以安全稳定运行。     

复杂阻尼结构汽轮机末级长叶片寿命评估相关研究进展及展望

目前汽轮机叶片设计和安全性考核主要采用的是以许用应力为基准的静强度准则和以安全倍率为基准的动强度准则,随着汽轮机设计制造水平的提高,尤其是近年来在超临界和超超临界大功率汽轮机中广泛采用具有复杂阻尼结构的长叶片,该方法已经表现出越来越多的局限性,建立一套从寿命损耗角度评估叶片安全性的方法十分必要。总结了近年来国内外在叶片寿命评估相关研究如静态应力分析、动态应力分析、叶片高周和低周疲劳寿命分析以及叶片水蚀疲劳分析等4个方面的研究进展,并对进一步深入研究提出了一些思路和方法。     

Numerical analysis of flow in ultra micro centrifugal compressor -influence of meridional configuration

A single stage ultra micro centrifugal compressor constituting ultra micro gas turbine is required to operate at high rotational speed in order to achieve the pressure ratio which establishes the gas turbine cycle. As a consequence, the aerodynamic losses can be increased by the interaction of a shock wave with the boundary layer on the blade surface. Moreover, the centrifugal force which exceeds the allowable stress of the impeller material can act on the root of blades. On the other hand, the restrictions of processing technology for the downsizing of impeller not only relatively enlarge the size of tip clearance but also make it difficult to shape the impeller with the three-dimensional blade. Therefore, it is important to establish the design technology for the impeller with the two-dimensional blade which possesses the sufficient aerodynamic performance and enough strength to bear the centrifugal force caused by the high rotational speed. In this study, the flow in two types of impeller with the two-dimensional blade which have different meridional configuration was analyzed numerically. The computed results clarified the influence of the meridional configuration on the loss generations in the impeller passage.     

汽轮机回热抽汽对下游流场影响的数值研究

针对某型机组高压缸的抽汽结构及抽汽点后叶片流场,采用N-S方程进行全周全三维叶片通道的数值模拟,研究结果表明,抽汽对其下游静叶栅气动参数沿周向和径向的分布均有较大的影响,并且该影响随着向抽汽点的趋近而增大,但抽汽对叶片型面静压分布影响较小,不会影响叶片的加载形式。     

汽轮机末级动叶片出口边水蚀特性及疲劳裂纹扩展的研究

空冷汽轮机组、调峰汽轮机组及热电联产汽轮机低压缸在小容积流量工况下运行时，末级动叶片根部分离流区的回流会将排汽缸湿蒸汽中的水滴带回叶栅通道，使动叶片吸力面出口区侵蚀并引发疲劳裂纹。为了确定机组负荷工况对叶片水蚀特性及叶片安全性的影响，首先利用流线曲率法发展出一种计算回流气动特性及水滴撞击叶片速度的方法。并用以分析了一台200MW汽轮机末级动叶根部出口边水蚀的特性，分析结果与实际情况较一致。此后，采用断裂力学理论研究了出口边水蚀缺口处的裂纹萌生期与扩展的增长率，计算结果与实际裂纹发展情况较为符合。所发展的方法为研究预防叶片出口边水蚀方法和合理制定机组检修周期提供了有用手段。     

弯扭叶片的设计思想、设计准则及其在汽轮机中的应用

根据对弯扭叶片的多年的研究和近几年来的使用经验，较系统地归纳出了弯扭叶片的设计思想和设计准则，对弯扭叶片的多种型面匹配准则和弯扭叶片叶列间的匹配准则进行了阐述，结合国产200MW汽轮机通流改造的实例，对上述思想及准则进行了验证。