阻尼叶片振动特性试验研究

张新虹 ，潘宏刚，洪志同 ，孙 丹，于光佐 ，颜锦杭 ，任威霖

（1.沈阳工程学院 能源与动力学院，辽宁 沈阳 110136；2.沈阳泰科流体控制有限公司，辽宁 沈阳 110000；3.沈阳航空航天大学 发动机学院，辽宁 沈阳 110136；4.山西鲁能河曲发电有限公司，山西 河曲 036509）

由于能源问题日益严重，对高效率、低成本的汽轮发电机组的需求越来越大。汽轮机低压末级叶片决定着整个机组的功率，而高参数汽轮机的末级叶片往往很长。叶片在高速旋转时的受力情况非常复杂，叶片的外形变化大，其振动频率和振幅也随之变的复杂[1]。汽轮机运行时，叶片不但承受着稳态的离心力，还承受着由于汽流的不均匀性所引起的激振力的作用。因此，叶片事故时有发生，其所引起的损失往往占汽轮机事故损失的一半左右[2]。引起叶片事故的主要原因是叶片在振动疲劳后发生断裂所致，所以分析叶片的振动特性就显得特别重要。在汽轮机所有叶片中，末级叶片的振动最为强烈，而对叶片进行有效减振的普遍方式是对末级叶片增加阻尼结构。因此，分析有阻尼结构的末级长叶片的振动特性十分必要[3]。

目前，在抑制叶片振动的方法中，干摩擦阻尼结构的应用最为广泛。国内外许多学者提出了多种描述接触面间干摩擦特性的数学模型，单颖春[4]等利用干摩擦对叶片进行减振研究，应用多种非线性方法求解带阻尼块叶片的响应特点；李锋[5]等将最优化理论与阻尼叶片动力特性计算相结合，运用鲍威尔惩罚函数法，采用间隙、安装位置以及阻尼器的结构尺寸等系统结构参数，结合实际叶片进行优化研究，优化后的叶片振动响应降低，使叶片获得了最优的振动特性；丁千[6]等研究了汽轮机干摩擦阻尼器叶片在多谐波激励作用下的振动，用平均法求出系统低阶谐波共振的稳态响应方程，分析了阻尼器参数与响应之间的关系，特别是初压力对抑制叶片共振的效果。

本文以具有复杂阻尼结构的汽轮机叶片为研究对象，搭建了阻尼叶片振动特性试验装置，研究不同的阻尼结构对叶片振动特性的影响，对叶片振动过程中的固有频率、振幅、加速度进行测量分析，为合理设计叶片并改善叶片振动特性提供了基础数据，同时也对汽轮机的安全运行起到了一定的促进作用。

1 试验装置

阻尼叶片振动特性测量试验装置[7-8]如图1 所示。试验装置的基座为500 mm×400 mm 的磁盘，通过开关控制磁盘的磁性来固定卡板和被测叶片，同时可以调节被测叶片及卡板的位置。夹紧装置选用两块L 型钢板，既可以保证与磁盘底座有足够的接触面积，又可以满足强度要求。激振器选用电磁式激振器，与叶片不直接接触，避免对叶片本身固有特性的影响。激振力的信号源来自信号发生器，经功率放大器放大后输入电磁激振器，通过信号发生器输出频率的大小来控制激振力的激振频率。被测阻尼叶片选用某型汽轮机末级叶片，叶片的振动响应通过安装在叶片附近的电涡流位移传感器和磁座吸附在叶片上的加速度传感器进行测量。振动位移和加速度数据通过数据采集系统处理后显示出来。通过在叶片与基座、叶片与L 型卡板之间加装阻尼材料来实现不同的阻尼叶片系统。

图1 阻尼叶片振动特性测量试验装置

2 阻尼叶片振动特性试验方案

2.1 阻尼叶片系统

首先，建立阻尼叶片系统，选定被测叶片（200 MW 汽轮机末级叶片），将叶片根部固定在磁盘基座上，利用L 型卡板将叶片进一步固定，选用100 mm×50 mm×2.5 mm 的橡胶垫为阻尼材料，如图2 所示。试验过程中可将阻尼材料安装在叶根与L 型卡板之间，以调节叶片系统的阻尼大小。本次试验根据加装阻尼位置和阻尼数量定义了5 种阻尼叶片系统工况：L00、L10、L11、L22、L33分别表示叶根左右未加阻尼、叶根左侧加装1 片阻尼材料并且右侧不加装阻尼材料、叶根左右两侧各加装1 片阻尼材料、叶根左右两侧各加装2 片阻尼材料、叶根左右两侧各加装3片阻尼材料。

图2 阻尼材料

2.2 激励及响应

阻尼叶片的激励主要利用信号发生器产生的电信号，通过功率放大器将信号放大，再经电磁激振器进行输出转化，利用信号发生器输出频率的变化控制激振器磁力周波的变化[9-10]。电磁激振器与叶片之间采用非接触方式安装，不影响被测叶片的固有频率。阻尼叶片系统的振动特性试验主要测量叶片在不同激振情况下的固有频率、固定点的振动位移和叶根部位的振动加速度值，测量的位移和加速度数据通过数据采集分析仪处理后，显示出响应数值。激振器与电涡流位移传感器的安装位置如图3 所示，加速度传感器安装于叶根位置，如图4所示。试验中，改变加速度传感器的测量位置（1#、2#、3#、4#），对叶根不同位置的振动加速度进行测量。

图3 激振器及位移传感器位置

图4 加速度传感器测点位置

3 试验结果分析

3.1 试验数据整理

搭建好试验装置后，进行测量。通过调节信号发生器输出信号，利用共振原理，对阻尼叶片进行激振。同时利用采集系统对阻尼叶片进行振动特性测量，分别测出 L00、L10、L11、L22、L33这 5 种工况下对应的振动数据，如表1和图5所示。

表1 不同阻尼叶片振动特性参数

图5 不同阻尼叶片振动特性试验曲线关系

L00、L11、L22、L33这 4 种工况下叶根不同位置的振动加速度如表2和图6所示。

表2 不同阻尼情况叶根不同位置振动加速度值 m/s2

图6 不同阻尼叶片叶根不同位置振动加速度曲线关系

3.2 结果分析

由表1和图5可知，随着阻尼量的增加，叶片的固有频率随之减小，主要是由于叶根的紧固强度下降所导致，5种工况下固有频率变化数值并不大，同时单侧加阻尼材料与不加阻尼材料相比，固有频率增加了0.1 Hz，可能是加上一个阻尼材料导致了叶根紧固程度有所提高。添加阻尼材料后，叶片振动的幅值呈现出先减小再增大的趋势，这说明添加阻尼材料可以减小叶片振动幅值，但是会存在一个最佳的阻尼值。由此可见，叶根左右两侧各加装一个阻尼材料对叶片减振效果最佳。

由表2和图6可知，随着阻尼材料的增加，叶根任一位置的加速度值先增大再减小，也存在一个最佳阻尼值。靠近叶片根部1#和4#位置测点的振动加速度明显高于远离叶片根部的2#和3#位置，这说明叶片的振动加速度沿着叶根向叶顶的方向逐渐增大，与叶根部位约束有关。

4 结 论

本文以具有复杂阻尼结构的汽轮机叶片为研究对象，搭建了阻尼叶片振动特性试验装置，研究了不同的阻尼结构对叶片振动特性的影响，对叶片振动过程中的固有频率、振幅、叶根不同位置振动加速度进行了测量分析，得出以下结论：

1）随着阻尼量的增加，叶片的固有频率随之减小，固有频率变化数值并不大；

2）添加阻尼材料后，叶片振动的幅值呈现出先减小再增大的趋势，存在一个最佳的阻尼值；

3）随着阻尼材料的增加，叶片振动加速度先增大再减小，也存在一个最佳阻尼值；

4）叶片的振动加速度沿着叶根向叶顶的方向逐渐增大，与叶根部位约束有关。