全转速汽轮机1 450 mm钛合金长叶片动态振动特性试验研究

张永海，谷伟伟，薛朝囡，高 庆，杨长柱，卢中俊，宁 哲，居文平,

（1.西安热工研究院有限公司，陕西 西安 710054；2.西安西热节能技术有限公司，陕西 西安 710054；3.东方汽轮机有限公司，四川 德阳 618000）

随着国民经济持续发展和全国范围内用电结构的变化，大容量发电机组仍旧担负了国内电网的主要负荷，也起到必不可少的重要作用。因此发展高参数、大容量、高效、环保型燃煤电站仍是火力发电技术的重要课题和发展方向，是国家节能减排战略的关键组成部分。

汽轮机低压末级叶片承受很大的负荷。开发更长的末级叶片是大幅降低汽轮机的排汽损失、提高汽轮机效率的有效途径之一；同时更长的末级叶片可减小汽轮机轴系长度，有效降低电站建设成本。

随着大容量、高参数机组的快速发展，低压末级叶片面临诸如叶片材料性能、安全性设计、叶片制造等诸多技术挑战。受到叶片巨大的离心应力和叶顶高圆周速度限制，钢制全转速叶片长度极限范围在1 400 mm左右。为满足低压末级叶片叶根强度安全性要求并突破叶片钢制材料强度限制，可采用钛合金、碳化物或玻璃纤维等。钛合金材料由于其具有强度高、耐疲劳性能和耐腐蚀性优良等特点，而成为目前末级超长叶片的首选材料。

长叶片设计开发是汽轮机关键的技术难点。开发高效率、高强度且安全可靠的汽轮机末级长叶片是发电领域一项重要的基础研究工作，更是一项非常复杂的系统工程，其设计制造涉及流体力学、材料、制造工艺等多门科学和领域，开发制造周期漫长。因此，其设计制造水平标志着一个国家汽轮机制造业的发展水平。在全球范围内，受到汽轮机末级长叶片设计和制造的制约，掌握高参数、大容量发电汽轮机技术的制造厂商屈指可数，长叶片设计开发更是各大汽轮机制造厂商最重要的、优先研究方向和领域[1-5]。

汽轮机叶片空气动力学性能、加工形状、表面粗糙度、间隙及运行特点、结垢等因素影响汽轮机的效率和出力，而叶片振动强度及运行方式对汽轮机安全可靠性起着决定性影响[6-8]。整圈自锁阻尼长叶片包含围带、拉筋及叶根等，其结构和系统复杂，使得长叶片数值分析接触边界处理较为困难，且接触状态下轮系动频率的数值模拟方法研究尚不完善，导致数值计算与实际试验结果存在偏差[9-10]。在长叶片最终的定型时，仍旧需要误差小、可靠性高的动频率测量试验来验证数值结果并决定叶片最终尺寸，因此汽轮机长叶片动频率测量试验一直被制造厂商和科研单位重视并普遍采用。王仲博[11]对汽轮机664 mm和685 mm叶片进行了小容积流量下动态特性实测试验，并获得了叶片动频率和动应力数据；褚玉喜等[12]进行了大功率空冷机组末三级动叶片的设计开发及其动频率测量试验；谷伟伟等[13]对880 mm叶片进行了动频率测量及调频试验，获得了该级叶片动频率数据；龙伦等[14]进行了某型带冠涡轮叶片振动特性及动应力测试，并研究了带冠叶片激振力来源及动应力大小的影响因素；马义良等[15]进行了高阻尼末级长叶片动频率理论计算和分析，并对其动频率进行了测量试验；商宇等[16]对新开发的汽轮机1 200 mm末级动叶片开展了叶片叶根强度和动调频试验。

1 450 mm钛合金叶片存在钛合金材料对缺口敏感、离心应力高、系统质量较大激振困难、测试信号复杂识别困难及引线固定工艺复杂等特点和问题，这为末级1 450 mm钛合金长叶片动频率测试带来了技术难题和挑战。本文针对国内某制造厂自主研制的目前国内最长汽轮机低压末级全转速1 450 mm钛合金叶片，进行了钛合金点焊工艺、超长叶片激振方式、应变片布置选位及振动信号识别等技术研究，对全转速1 450 mm钛合金长叶片动频率测试技术进行了研究，并成功进行了实际调频试验。该试验研究对汽轮机长叶片开发设计和动频率测试技术研究都具有借鉴意义和实用价值。

1 全转速1 450 mm钛合金叶片参数

国内某制造厂新研制了适用于超超临界全转速大容量1 200~1 300 MW等级超低背压汽轮机末级1 450 mm钛合金超长叶片。该叶片采用阻尼凸台拉筋、自带冠结构，随着转速增加叶片围带间、拉筋间先后自动接触，最终形成整圈全自锁结构，其结构参数见表1。

表1 1 450 mm钛合金叶片结构参数Tab.1 Structural parameters of the 1 450 mm titanium alloy blade

2 动频率测试技术与方法

2.1 测试技术

动频率试验是汽轮机叶片设计开发中必不可少且至关重要的一环。叶片设计定型、运行安全性及可靠性等都需要利用动频率测量试验来提供试验数据并验证。

工作状态下汽轮机叶片受离心应力和复杂蒸汽激振力的共同作用。蒸汽激振力通常分为高频激振力和低频激振力2类。高频激振力是由喷嘴尾迹引起的，喷嘴出口流速沿圆周向分布不均。由于尾迹区作用力比主流区小，所以动叶片每经过1个喷嘴片受到1次扰动。汽轮机低压末级长叶片固有频率一般远低于高频激振力频率（2 000~7 000 Hz），因此长叶片调频试验主要是使其动频率避开与转速有关的低频激振力频率。

根据整圈叶片三重点振动理论，对于全周连接的（叶片组）叶片，在满足式(1)所示条件时，会激发叶片叶轮系统的“三重点”共振[17]。

式中：fdm为节径数m时叶片的动频率，Hz；k为激振谐波阶次；m为整圈叶片振动节径数；n为转子转速，r/min。

为使汽轮机整圈自锁阻尼叶片避开运行条件下的“三重点”共振频率范围，凡能够影响叶片固有频率的因素，如叶片围带径向或轴向尺寸、拉筋尺寸、型线、质量及叶根安装状况等，都可作为叶片调频试验手段。可以通过调整叶片质量或叶片围带、拉筋或叶根处的接触状况而改变叶片固有频率。按照设计要求，运行过程中由于离心应力作用，长叶片叶根和叶轮槽处于紧固状态，除了制造加工及装配工艺影响，叶片安装状态可调整的余地较小；调整叶片拉筋大小或其相互之间的接触面积，需重新拆卸和安装叶片，程序繁杂而难度较大，易损坏叶片，且拉筋对叶片2阶以上频率影响更为有效，该方法不宜在工业生产中采用。因此，在实际生产中广泛采用的调频方法是调整叶片围带径向或轴向尺寸而改变叶片刚度和质量，从而改变叶片固有频率。

根据制造厂设计数据和数值计算结果要求，在试验开始前，1 450 mm钛合金叶片的围带结构尺寸数据与最终设计数值相比预留有一定的余量，以便进行调频试验。在完成单次动频率测量试验后，由试验数据和数值计算结果决定叶片围带车削量，经多次试验及叶片围带车削后可以得到最终的围带结构尺寸数据以实现调频的目的，并保证叶片投运后的振动安全。

2.2 测试方法

本文在叶片动频率测试中采用无线电测试方法，测量系统主要包括电阻丝应变片、微型发射机、电池、发射天线、同轴电缆、接收机、数据采集记录仪及FFT分析仪等。测试仪器系统如图1所示。

图1 无线电测试系统Fig.1 Schematic diagram of the radio telemetry system

汽轮机整圈连接叶片动频率测量试验在高速动平衡台上进行，在转子系统升速或降速过程中测量叶片的共振动频率。具体测量方法为：在转速变化过程中，利用高压氮气或压缩空气冲击叶片，产生的持续激振力迫使叶片和应变片振动而变形；应变片阻值和发射系统电路电流发生变化，经过电路中微型发射器调制信号并发射；接收装置将无线信号接收并解调还原分析，从而得到一定转速范围内各个最大共振响应点时叶片各阶次的固有频率及其对应的转速数值。

本文试验中设计安装了1套有1只固定喷嘴的管路系统。通过控制阀门的开关，可导入压缩空气激振叶片，以便激励出叶片“三重点”共振信号。试验过程中，保持动平衡室仓体内部温度不超过80 ℃，使叶片所在的试验温度更接近真实机组低压末级叶片运行温度，保证试验测量的动频率与运行环境下叶片固有频率相一致，这一频率更有利于叶片长期运行安全。

2.3 适应全转速钛合金超长叶片的测试工艺开发

对全转速1 450 mm钛合金超长叶片进行动频率测试，存在钛合金材料对缺口过渡敏感、费用昂贵、超长叶片高离心应力大、超长叶片测点布置困难及叶片激振困难等技术问题，给动频率测试带来更多的难题和挑战，需要对现有的动频率测试系统及其工艺进行升级和改进研究，以满足全转速1 450 mm钛合金超长叶片动频率测量试验的特殊情况。

本文针对1 450 mm钛合金超长叶片动频率测试存在的问题及现有的动频率测试系统情况，对如下新技术和工艺进行研究分析。

1）对超长钛合金、复杂连接结构叶片不同节径高阶动频率的繁杂测试信号进行持续识别和处理技术进行研究，并在试验过程中采取了全谱监视和记录叶片振动信号，可以实现汽轮机超长叶片动频率测试数据详细识别分析和记录，避免“三重点”共振信号遗漏，保证了分析结果准确，并确保试验叶片精准定型。

2）针对国内最长的全转速汽轮机低压末级1 450 mm钛合金叶片，开展应变片不同布置对钛合金超长叶片动频率测试结果影响研究，开发了针对该种连接结构叶片创新性的应变片布置技术，并在1 450 mm钛合金叶片动频率试验中采用了应变片高低位交错布置方式。

3）针对钛合金超长叶片系统质量较大，研究了激振喷嘴在不同激振角度、激振位置和激振力大小等情况下对钛合金长叶片动频率测量效果的影响规律，开发了大刚性高转速条件下超长叶片激振技术，解决了动态下长叶片系统激振困难问题，避免试验过程中由于复杂连接结构长叶片不同节径高阶动频率的繁杂测试信号响应小而被基频信号掩盖而无法识别分析，将会造成试验叶片无法精准调频并为以后长期运行埋下安全隐患。

4）针对钛合金材料对缺口敏感性问题，开展了点焊机功率大小、钛合金钢皮厚度对钛合金基体表面损伤程度的影响试验研究，解决了在点焊机一定功率下点焊钛合金钢皮的焊接工艺技术，钛合金叶片布线固定工艺以及在高速旋转状态下持续、可靠的拾取、传输叶片实时振动信号并进行实时分析的技术难题。

点焊机在特定功率时可以将钛合金薄皮热熔接在钛合金叶片上，而不会伤及钛合金叶片的表面和内部结构，避免钛合金叶片表面损伤而留下安全隐患，确保钛合金叶片投产后长期的安全运行。

5）开展了304不锈钢、钛合金与钛合金基体叶片及叶轮的点焊固定工艺测试研究，采取在叶轮、钛合金叶片上分别用304不锈钢和钛合金薄皮点焊固定和保护试验信号线，解决焊接后钛合金基体存在轻微的熔斑及试验过程中信号线脱落问题，保证了试验顺利完成。

试验前严格按照工艺要求粘贴应变片和布线。图2为本文试验的测点及布线。用脱脂棉分别蘸丙酮和工业酒精对叶片的粘贴应变片部位和布线区域进行叶片表面清洁处理。信号引线用不锈钢或钛合金卡子点焊定位、涂胶、固化，以防止引线因为高速旋转产生离心力及叶片鼓风作用而脱落。

图2 测点及布线Fig.2 The measuring points and wiring

3 试验过程

试验前安装并调整喷嘴支架系统及接收天线环，调试数据记录系统，接通各个发射机电路电源，通过自振法进行静态信号接收测试，确保各个系统正常工作。

采用本文测试技术，在高速平衡试验平台上对1 450 mm钛合金长叶片动频率进行测量和调频试验。

为消除叶片装配过程中造成的围带和拉筋接触面接触不稳定的影响以使叶片状态更接近运行工况，同时排除试验中其他偶然因素带来的干扰，确保本次试验数据真实无误。在第1次试验完成后试验数据显示，1 450 mm钛合金长叶片动频率数值在2 820～3 090 r/min 区间内不存在“三重点”共振点，未对叶片围带继续加工。

试验最高转速为3 200 r/min，转子转速升速到最高转速后，在降速过程中开启压缩空气系统对叶片进行激振试验，同时对试验数据进行记录和分析。

4 数据处理及分析

试验测得设计尺寸下整圈1 450 mm钛合金叶片1—4阶的“三重点”共振频率及共振转速数据，见表2。图3为试验测得的整圈1 450 mm钛合金叶片坎贝尔图。其1阶第3节径响应图如图4所示。由图3可知，1阶m=3节径的共振转速约为2 367 r/min，2阶m=6节径的共振转速约为2 642 r/min，3阶m=7节径的共振转速约为2 564 r/min，4阶m=8节径的共振转速约为3 112 r/min。

表2 1 450 mm钛合金叶片“三重点”共振频率和共振转速Tab.2 The “3-coincide point” resonance frequency and resonance speed of the 1 450 mm titanium alloy blade

图3 整圈1 450 mm钛合金叶片坎贝尔图Fig.3 Campbell diagram of the 1 450 mm titanium alloy blade in full circle

图4 1 450 mm钛合金叶片第1阶第3节径响应Fig.4 The diameter response diagram of the 1st stage 3rd pitch of the 1 450 mm Titanium alloy blade

测试过程中，1 450 mm钛合金叶片的1阶m=3节径“三重点”共振转速出现了2次，而测得了相对应的2个不同动频率值，分别约为84 Hz和118 Hz，且2—4阶节径数m=7~9的“三重点”共振转速均重复出现。这说明在此转速范围内，叶片围带和拉筋是逐渐贴合并形成整圈结构，表明了试验条件下叶片围带、拉筋贴合试验转速范围约为1 650~1 900 r/min，2 000 r/min以上时该级叶片已为整圈连接。在3 200 r/min以下范围内未出现一阶m=2节径的共振转速，说明该“三重点”共振转速已高于3 200 r/min以上。

根据目前国内电网周波47.5~51.5 Hz实际运行情况，并参照相关的汽轮机叶片评价标准[18-19]，本次试验考核了1 450 mm钛合金叶片在2 820~3 090 r/min转速范围内不存在1—4阶节径数m不大于8的“三重点”共振情况。试验结果表明，1 450 mm钛合金叶片调频合格，1 450 mm钛合金叶片在运行周波内具有良好的振动安全性能。

5 结 论

本文通过汽轮机长叶片动频率测试技术开发研究，完成了全转速汽轮机低压末级1 450 mm钛合金超长叶片动频率测试，获得了试验转速范围内其各个响应最大点的转速和动频率数值，完成了该叶片的调频试验。结论如下。

1）开发了超长全转速叶片动频率测试技术，完成了全转速汽轮机低压末级1 450 mm钛合金叶片动频率测试。

2）全转速汽轮机低压末级1 450mm钛合金叶片动频率测试数据准确可靠，在2 820～3 090 r/min区间内不存在1—4阶节径数m≤8的“三重点”共振点，满足调频规范要求。

3）由试验过程及试验结果可知，长叶片连接结构较为复杂，其数值计算动频率与试验结果仍有一定的偏差。

4）本试验研究解决了钛合金材料缺口敏感性、异种金属材料点焊工艺、超长叶片高离心应力测点粘贴及布线、超长叶片系统激振等关键技术问题。