成圈结构叶片围带工作面接触区域对其频率的影响分析

喻敏， 李泽培， 黄彪， 张东连

(东方汽轮机有限公司， 四川 德阳， 618000 )

0 前言

成圈结构的应用不仅能够增强叶片的结构阻尼[1], 大幅降低叶片的动应力水平[2], 而且能够在工作状态使叶片呈现整圈模态, 有利于改善其振动特性[3]。 基于成圈结构的阻尼减振等优点, 国内外各大汽轮机厂家都倾向于在大功率等级汽轮机组叶片上采用该结构型式。

根据结构型式与设计机理不同, 叶片成圈结构主要分为预扭成圈与扭转恢复成圈。 预扭成圈结构型式一般应用于中短叶片, 工作状态下叶片仅凭借自身的变形无法形成整圈连接状态, 此时需在叶片围带工作面预先设计一定过盈量（装配紧度）, 保证其在工作转速下形成整圈连接状态；而围带工作面存在一定过盈量, 需将叶片围带进行预扭以完成整圈叶片装配。 扭转恢复成圈结构型式常用于末级、 次末级等长叶片, 工作状态下能仅凭借自身的变形而形成整圈连接状态。

围带工作面过盈量或间隙的选取会直接影响到相邻围带工作面的接触区域, 进而影响叶片的整圈连接刚性, 最终影响其成圈频率特性。 而在实际加工与装配过程中, 叶片围带工作面的装配紧度会与设计值存在一定偏差, 对整圈叶片的成圈频率特性有一定影响, 可能会影响到整圈叶片的运行安全性。

本文针对不同的围带工作面接触区域, 对成圈结构叶片的频率特性进行了有限元分析； 并进一步探讨了成圈结构叶片围带工作面接触区域对其频率特性影响的变化规律。

1 计算模型和分析方法

本文以某机组高压第8 级叶片为例, 该级叶片采用的成圈型式为预扭成圈, 围带形状为平行四边形, 其三维模型见图1。

图1 单只叶片三维模型

通过三维建模软件建立叶片和叶轮模型, 并借用ANSYS 软件来实现对成圈结构叶片的模态分析, 采用循环对称[4]来模拟整圈叶片的装配。

采用的网格类型为带中间节点的四面体网格。由于采用循环对称的方法, 网格模型为单个扇区,总网格数为49 569, 其中叶片网格数为32 806,叶轮网格数为16 763, 见图2。

图2 计算网格模型

该成圈结构叶片围带工作面的典型接触区域详见图3, 围带工作面过盈量大小决定其接触区域大小。 针对3 种不同接触区域的大小, 分析其对成圈频率的影响。

图3 围带工作面典型接触区域

2 计算结果分析

2.1 围带工作面接触区域大小

围带工作面过盈量的大小直接影响到其接触区域的大小, 围带工作面过盈量越大, 其接触区域也会随着增大； 通过选取不同的过盈量, 分析得到3 种不同的围带工作面接触区域, 见图4。

图4 围带工作面接触区域随过盈量的变化

2.2 典型成圈振型

该级叶片通过对围带工作面预设一定的过盈量来保证其在工作转速下形成整圈连接的状态。整圈连接叶片的振型很复杂, 主要表现为节径振动[5]。 典型振型见图5。

图5 成圈结构叶片典型振型

2.3 围带工作面接触区域对叶片成圈频率的影响

针对以上3 种不同围带工作面接触区域, 对叶片进行成圈模态分析, 得到其各节径前三阶成圈频率, 并对其变化规律进行对比, 见图6。

对比3 种不同围带工作面接触区域下的叶片成圈频率可知： 随着围带工作面接触区域的减小,成圈叶片的连接刚性降低, 其成圈频率整体也随之降低； 从整体趋势上来看, 对于3 种不同的围带工作面接触区域, 叶片成圈频率随着节径的变化规律是一致的； 且随着阶次增高, 其对成圈频率影响相对较大的区域随着节径数逐步后移； 总体上来看, 围带工作面接触区域的大小对叶片成圈频率的影响大致在5%以内。

图6 各节径前三阶成圈频率对比（3 种方案）

3 结论

本文对某平行四边形围带预扭成圈结构叶片进行成圈模态分析, 并研究围带工作面接触区域变化对叶片成圈频率的影响, 得到一些结论：

（1）围带工作面过盈量越大, 其接触区域也会相应增大, 进而增强成圈叶片的连接刚性, 使其成圈频率整体增大；

（2）针对3 种不同的围带工作面过盈量所对应的接触区域, 叶片成圈频率随着节径的变化规律是一致的； 且随着阶次增高, 对成圈频率影响相对较大的区域随着节径数逐步后移；

（3）总体上来看, 围带工作面接触区域的大小对叶片成圈频率的影响大致在5%以内, 即在一定范围内, 加工与装配引起围带工作面装配紧度的偏差对成圈结构叶片频率的影响有限。

对于成圈结构叶片, 其频率特性是设计的重难点, 成圈频率直接影响叶片运行安全性。 利用本文研究得到的相关规律, 可以避免在围带工作面装配紧度发生较小变化时重复对成圈叶片频率特性进行分析, 降低成本； 且对成圈结构叶片的频率安全性具有指导意义。