摘要：文章主要针对汽轮机长叶片弯曲与轴系扭转耦合振动进行分析，结合当下汽轮机长叶片弯曲与轴系扭转耦合振动研究发展现状，从三维模型、结果与分析方面进行深入研究与探索，主要目的在于更好的推动汽轮机专业技术的发展与进步。
关键词：汽轮机；长叶片；轴系扭转；耦合振动
汽轮机主要由轮盘、主轴以及叶片等组合而成。在大型汽轮发电机组容量不断提高的作用下，低压转子叶片也随之提升，其强度、刚度以及固有频率明显下降，甚至还会进入到较低的主轴扭振频带之中，进而使得叶片切向振动惯性在一定程度上促进其主轴扭振模态的出现。同时主轴扭振惯性也会导致叶片出现切向振动，这就促进了偶合作用系统的形成。其不仅可时轴系出现共振，也可导致安全事故的发生。
一、三维模型
（一）简化轴系模型
以我国某汽轮机发电机组轴系为研究目标进行分析，其主要有；联轴器、低压转子、高中压转子等组合而成。其中叶片整体结构较为复杂，而数量也相对较多，所以在创建三维模型期间需要充分重视其转动惯性，将其简化成相应的等截面圆环并附加在主轴之上，在根据对材料密度的调节，确保实际转动惯性与总转动惯性具有较强的相似性，这时就以创建了较为简化的集中质量模型。但在原始模型之中有着较为丰富的倒角与台阶等环节，这会导致模型网格划分有着较大的难度，因而应对这些环节实施科学隔离的简化。为了提高与强化简化轴系模型计算精准度，需要工作人员对轴系模型和结构转动惯性进行简化，使其与原始模式较为相似。其中可使用有限元对2个模型前4阶模态进行计算，通过计算数据可以发现，2个模型最大频率偏差主要集中与2阶段模态之中约为-3.6%，这也有效的证明了简化方法具有较强的科学性与合理性。
（二）叶盘模型
工作人员可通过周期对称方法对叶盘模型进行创建，即在轮毂上安装相应的叶片，将两者之间的刚性进行连接，不关注与重视叶根的紧固特征。使用形影的叶片作为基础扇区实施周期性建模。其中由于叶片实际安装角度问题，需要利用两组平面轴向随着轴系进行径向切割工作，为获得具有完整性的叶片模型扇区创建条件，两组平面之间的夹角应为3°。
（三）叶轴耦合模型
工作人员将相应的叶盘模型在轴系末级位置进行安装。在轴系上仅仅创建一组叶栅，而剩余各级叶栅主要根据附加转动惯性方法进行科学的处理。三维叶轴耦合模型与简化轴系模型具有一定的差异，即在叶轴耦合模型中具有末级叶栅转动惯性，同时对于叶片的柔软度也有着较为深入的考虑。
其中叶轴耦合模型与简化轴系模型都对网格划分方法进行使用，并对其有限元网格信息进行了全面科学的记录。接着对两个模型在不同运行状态下具有的模态情况进行计算，第一种运行状态为固有频率分析；第二种运行状态为转动速度为每分钟3000r状态下的动态分析。在高阶模态作用下，汽轮机叶片模态频率数值远远高于相应水平轴系扭振模态频率，但由于其与本次研究没有直接关联，因此仅仅对叶盘模型各阶模态频率进行明确与分析。其中为了对轴系弯曲振动干扰现象进行预防，需要在简化轴系模型中心节点上添加相应的平移方向固定约束，这可确保各种振动都属于扭振振型。
二、结论与分析
（一）叶片柔度分析
通过相关数据可以发现，通常情况下叶轴耦合模型振动频率与简化轴系模型相对应的阶次对比而言相对较低。同时由于叶轴耦合模型对于叶片柔度较为重视，这也使得叶轴耦合模型的刚度要小于简化轴系模型，进而导致叶轴耦合模型振动频率出现明显的降低，这与理论分析具有较强的一致性。
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（二）叶片振动分析
在长叶片的作用下，使得叶轴耦合模型中具有以叶片振动频率为核心的运行模态。这些叶轴耦合模型模态形成的主要原因是由于工作人员对叶片实际参数（即刚度、结构以及转动惯性）等进行了关注与考虑，而简化轴系模型则没有这种模态形式。通过数据信息对比分析可以发现，在这种叶轴耦合模型模态中，轴扭振幅度相对较小，叶片振动幅度相对较大，这也充分的表明了这种模态主要是以叶片振动为基础。对轴系振动规律分析期间，需要创建与实际状态较为相似的模型，若没有则会出现简化轴系模型不能良好展示与反应的状态。在上述研究中，简化轴系模型振动特征中就没有出现相应的叶片振动模态。
（三）轴振模态分析
在汽轮机组相应模态作用下，叶轮耦合模型的振动频率与简化轴系模型的对应阶次的振动频率有着较强的相似性，其中最大的频率偏差仅仅为0.1%左右，而这才模态则属于轴振模态。在这些模态中，叶片所处的轴端段振型主要为水平线，这有效的证明了这一轴段半径相同的扭振位移较为相似，同时叶片变形相对较小，周向振动能量对轴振动没有任何影响，这时叶片振动对于轴振频率有着极小的影响。
通过阵型图可以发现，在轴振模态中，叶轴耦合模型振动主要以轴振为基础。对静态下的叶轴耦合模型与简化轴模型振型进行比较可知，虽利用各种线型对模型前三阶振型进行明确与标记，但这两组模型对应阶次振型具有较强的一致性，这也有效的证明了叶片针对轴扭振振幅的影响微乎其微。
（四）耦合模态分析
在研究期间发现，叶轴耦合模型3阶模态与简化轴系模型5阶模态具有较强的相似性，其频率为198Hz与200Hz。同时在叶轴耦合模型中也存在频率较为相似的模态。在叶轴耦合模型相应阶次下叶片振幅与轴振幅度相似时，与之前叶片模态与轴振模态存在较大差异。所以可将其认定为是叶片弯振与轴扭振共同作用所形成的，这就是耦合模态。
通过简化轴系模型5阶次模态与叶轴耦合模型7、8阶次模态进行对比可以发现，在汽轮机叶栅左侧位置振型曲线的变化情况极为相似，而振幅存在相应的不同。在叶栅右侧振型曲线则具有加大的不用与差距。简化轴系模型5阶次模态与叶轴耦合模型8阶次模态的振型曲线具有较强的一致性，但与叶轴耦合模型7阶次模态振型曲线具有较大的差距，甚至存在反相位现象，同时与其振动幅度也相对较小，这有效的证明了在耦合模态中，叶片振动对轴扭振具有一定的加强功能。
结语：
综上所述，叶轴耦合模型与简化轴系模型进行比较发现，共具有3种类型的振动模态，既叶片、轴振以及耦合振动模态。其中在叶片振动模态中，轴振幅度较小，而叶片振动幅度较大，简化轴系模型则没有这一模态。在轴振模态中，轴振幅度较大，叶片振幅较小，而简化轴系与叶轴耦合模型有着较强的一致性。在也叶盘模型与简化轴系模型振动相同时，叶轴耦合模型会出现耦合模态，其主要原因为叶片弯振与轴扭振同时作用所形成的。
参考文献：
[1]吕方明,危奇,鲁录义,吕凯,王坤,孙庆,李汪繁,王秀瑾.汽轮机长叶片弯曲与轴系扭转耦合振动研究[J].动力工程学报,2014(06).
[2]谢永慧,吴君,张荻,周代伟,陆伟.具有整体围带和凸台拉筋汽轮机长叶片阻尼振动特性实验研究[J].汽轮机技术,2011(02).
[3]王超,王延荣,徐星仲,李宝清.应用三维有限元法计算汽轮机转子临界转速和模化长叶片[J].动力工程,2007(06).
[4]谢永慧. 汽轮机特大型末级长叶片强度振动研究进展[A]. 中国动力工程学会透平专业委员会.中国动力工程学会透平专业委员会2007年学术研讨会论文集[C].中国动力工程学会透平专业委员会:2007:14.
论文作者:崔新和
论文发表刊物:《电力设备》2018年第10期
论文发表时间:2018/7/26
标签：模型论文; 叶片论文; 模态论文; 频率论文; 振幅论文; 汽轮机论文; 汽轮论文; 《电力设备》2018年第10期论文;