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。     

静叶尾迹流引起的气流激振力计算方法与激振力特性研究

在研究汽轮机叶片气流激振力的来源与性质的基础上,建立了静叶尾迹流产生的气流激振力计算模型,开发出了基于Matlab的气流激振力计算与分析软件,以探讨叶片气流激振力特性随叶栅结构参数的变化关系。对国产300MW汽轮机某级叶片的气流激振力进行了计算与分析,结果表明:叶栅的结构参数δ、z、B1、b1、t1对气流激振力特性有较大的影响。在汽轮机设计过程中,合理地选择上述结构参数,可以有效地控制气流激振力。     

用振荡流体力学方法确定汽轮机叶片的气动激振力

提出了利用振荡流体力学方法确定由于不均匀来流（如静叶出口尾迹等）引起的在汽轮 叶片上的三元非定常气动力。将任意非定常来流通过付里叶变换转化成若干个简谐振荡来流的迭加，用振荡流体力学的方法进行振荡流场计算，从而得到作用在叶片上的气动激振力，与试验结果对照证实了该方法的可行性，并应用本文方法计算了某汽轮机上末级叶片上的激振力。     

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     

压气机动叶CLOCKING效应对叶片可靠性影响的数值研究

采用基于谐函数(harmonic)的非定常计算方法,数值模拟了某型燃气轮机中间三级轴流压气机流场,研究第二级动叶CLOCKING效应对中间级静叶片气动负荷的影响。通过对各列叶片非定常气动力和气动力矩进行时域分析,指出不同CLOCKING位置对应的气流激振力对叶片的气动负荷造成了明显的影响。进行了中间级动叶和静叶的振动可靠性分析。计算结果表明,该压气机的3组静叶片避开共振区的程度各不相同。R2转子叶片处于不同的CLOCKING位置会引起下游S2静叶片气流激振力发生显著变化,导致S2叶片产生比较强烈的共振。     

叶片动应力计算的重要改进及其在不调频叶片设计上的应用

叶栅流场中的叶片受流道中汽流力的作用，同时也承受了流道中谐波汽流力的激振。由于谐波汽流力沿周向波动，其对叶片的激振力应该是流道宽度内谐波激振力的积分。本着这一观念对ASME早期发表的动应力基本方程进行改进，重新作了推导，并指出了降低叶片共振应力的途径。多年来已取得了成功应用，其中涉及带冠单叶片的动强度特性及不调频叶片事故处理的材料综合抗振强度对比分析，对工程实践具有一定的参考借鉴的价值。     

用振荡流体力学方法确定非均匀来流对动叶的气动激振力

提出了用振荡流体力学方法确定由于不均匀来流（如静叶出口尾迹等）引起的在汽轮机转子叶片上的三元非定常气动力。将任意非定常来流，通过傅里叶变换转化成若干个简谐振荡来流的迭加，用振荡流体力学的方法进行振荡流场计算，从而得到作用在动叶上的气动激振力，与试验结果对照证实了该方法的可行性，并应用该方法计算了某汽轮机末级动叶上的激振力。     

部分进汽下调节级叶顶偏心激振特性研究

建立了某350 MW汽轮机调节级全三维计算流体力学模型,研究部分进汽时不同阀序及阀门开度下转子偏心和叶顶围带对流体激振特性的综合影响规律。结果表明:随着各阀后压力升高,累计质量流量增大,激振力先增大后减小;激振力主要来自叶片内弧,但对于偏心状态下的自由叶片,累计质量流量较小时激振力主要来自叶片顶部;垂直与水平方向上的激振力近似相等;非对角进汽时比对角进汽时的激振力大,其中有、无围带叶片模型分别在开启Ⅰ阀、Ⅱ阀和Ⅲ阀时及非均匀开启四阀时的激振力达到最大值,约占高压转子重力的24%～35%;转子偏心及叶顶围带结构均会导致激振力增大,但也受到进汽阀序、转子偏心方向及两者相对位置的影响;相同工况下,转子偏心时最大激振力约为无偏心时的133.94%,有围带叶片的最大激振力约为自由叶片的150%。     

汽轮机转子涡动汽流激振力分析与CFD数值模拟

汽轮机转子涡动时轴心偏离静子中心产生轴系失稳的Thomas/Alford汽流激振力,传统的叶顶间隙激振力公式对此不能全面准确评估。该文综合考虑转子涡动以及围带汽封二次流,在动叶通道,根据蒸汽做功分析涡动效应激振力;在叶顶围带汽封,用CFD数值模拟泄漏蒸汽三维粘性流场,确定蒸汽激振力。研究结果表明小的静偏心和动偏心条件下,转子涡动动偏心在动叶通道诱发的激振力要大于静偏心激振力;围带汽封汽流预旋速度对间隙激振力有重要影响;调门不对称进汽也是蒸汽激振力的另一个重要来源。     

基于谐波平衡法的自带冠成组叶片接触碰撞系统稳态解

针对自带冠叶片组成的成组叶片,采用Hertz接触理论和悬臂梁连续模型建立了成组叶片接触碰撞状态下的非线性动力学模型,并考虑了气流激振力和叶片的惯性力对成组叶片振动的影响。利用Galerkin模态截断方法对该系统进行降维处理,用谐波平衡法计算了当各叶片取第1阶模态后降维系统的解析解。     

汽轮机叶片激振因子和阻尼分析

激振力和叶片阻尼是影响汽轮机叶片安全的重要因素，本文在综述有关激振力和叶片阻尼方面的研究文献的基础上，给出了估算激振力因子的公式和叶片阻尼的方法，可用于叶片动力响应分析和动应力分析。     

带冠叶片碰撞减振机理研究

通过对带冠叶片边界非线性条件的研究,建立了全新的带有碰撞阻尼的叶片三维实体单元有限元模型.对计算分析与试验结果进行了对比,验证了叶片的计算模型的计算精度,进而对两只平板叶片在不同间隙、激振力幅值和频率条件下的特性进行分析,结果表明:随着叶冠间隙、激振力幅值和激振力频率的增加,叶片出现明显的频谱分量;具有碰撞条件的叶片可以抑制外力做功,叶片动应力可以通过叶冠参数的调整进行控制.     

多级压气机动叶不同周向位置下叶片动应力及响应计算

对多级压气机进行非定常计算,数值模拟了某型燃气轮机中间三级轴流压气机流场,研究第二级动叶处于不同周向安装位置下中间级静叶片动应力及响应,指出动叶不同周向位置对应的气流激振力对叶片的气动负荷以及动应力造成了明显的影响,特别是在对叶片构成危险性最大的一阶低频共振点,动叶片处于CLK0安装位置时的激振力对叶片应力和位移响应幅度影响程度都明显要大于其它安装位置的情况,同时导致S2叶片产生比较强烈的共振,造成结构上的疲劳损伤.     

汽轮机叶片流体激振安全性的全三维、全功能与全方位分析系统

总结了对于汽轮机叶片流体激振安全性进行全三维、全功能与全方位分析的概念和方法。全三维是对流体激振安全性的分析建立在三维粘性和三维振型的基础上 ,全功能是对流体激振分析建立在弹性力学方程和流体力学方程弱耦合的基础上 ,进而得到流体激振时的动应力并与疲劳寿命相联系。全方位则是可以对汽轮机叶片的各种形式的流体激振 (如小流量下失速流激振、叶尖间隙流激振等 )和强迫振动 (如部分进气激振、静叶尾迹流对动叶的激振、抽汽口激振等 )进行安全性分析。这种流体激振三全系统 (全三维、全功能、全方位 )的建立 ,将是汽轮机叶片的安全性分析水平的重要进展     

GE9FA燃机压气机增强型S1静叶片固有频率分析

为了评估GE 9FA燃机压气机增强型S1静叶片的可靠性,采用有限元法对其进行了模态分析.得到了增强型S1静叶片的固有频率和振型,确定了其固有频率与其前排动叶尾迹激振频率的安全裕度.数值结果表明:增强型S1静叶片的4F型振动频率与其前级动叶尾迹所产生激振频率具有较大的安全裕度.     

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.     

汽轮机叶片流化激振安全性的全三维,全功能与全方位分析系统

总结了对于汽轮机叶片流体激振安全性进行全三维、全功能与全方位分析的概念和方法。全三维是对流体激振安全性的分析建立在三维粘性和三维振型的基础上,全功能是对流体激振分析建立在弹性力学方程和流体力学方程弱耦合的基础上,进而得到流体激振时的应力并与疲劳寿命相联系。全方位则是可以对汽轮机叶片的各种形式的流体激振（如小流量下失速流激振、叶尖间隙流激振等）和强迫振动（如部分进气激振、静叶尾迹流对动叶的激振、抽汽口激振等）进行安全性分析。这种流体激振三全系统（全三维、全功能、全方位）的建立,将是汽轮机叶片的安全性分析水平的重要进展。     

气隙激振力对转子临界转速的影响

从诱发汽流激振的原因出发,指出气隙激振力是汽轮机组发生汽流激振的主要原因,并以Riccati传递矩阵法为框架,建立能够处理包括气隙激振力在内的各种激振源对转子临界转速影响的计算模型。利用该模型就气隙激振力对转子临界转速的影响进行了计算分析,通过与试验台实测的结果对比分析,验证了计算模型的可靠性,得出了临界转速的下降量随着充气压力的提高而增大的结论。该计算模型今后还可应用于转子稳定性及汽流激振的分析研究。图5表2参3     

阻尼连接叶片的实验研究

介绍了阻尼叶的实验装置，测试及测试方法，分析了测试结果和实验中所观察到的现象，得出叶片摩擦来减振是有产的，。由于干摩擦的介入，叶片的频率，响应模态阻尼比将会受到影响，叶片的响应波形上叠加有摩擦引起的高次谐波，但是基本波形优为正弦波。阻尼连接叶片的摩擦面间的正压力，接触状态会影响叶片的动力学特性，由于阻尼叶片的非线性特性，激振力的大小也会改变叶片的动力特性。     

透平级三维粘性非定常流动和气流激振力的研究

针对非定常流动对透平气动性能的影响和导致产生动叶片振动疲劳的气流激振力,深入研究和总结了国内外透平机械的非定常流动,阐述了RNGκ-ε湍流模型和双时间步法,并提供了笔者研究的2个汽轮机高压级以及末级的非定常流场与气流激振力的例子.结果表明:采用RNGκ-ε湍流模型和双时间步法对透平级进行非定常粘性流场分析可获得更为详细、精确的流场状况以及更为真实的效率;气流激振力和激振力因子的水平与流场状况有密切联系,影响流场的因素(如背压,流量,动静间隙等)发生变化会对气流激振力因子产生影响.此外,还提出了今后进一步研究的思路和方法.