渦輪工作葉片的振動特性分析
渦輪工作葉片是燃氣輪機中最重要的零部件之一，在高溫高壓下，承受離心力和氣動力，以及振動、腐蝕、氧化等作用，工作環境十分惡劣，因此葉片故障時有發生，約占燃氣輪機事故的40％以上，造成的損失也往往占燃氣輪機事故損失的一半左右。從這個意義上說，一臺燃氣輪機性能的好壞取決于葉片設計的合理與否。目前，通過加長葉片(增大流通面積)，和提高機組轉速(增大葉片承受能力)來滿足發電及各種動力裝置容量的急速擴大，是可行且普遍的方法。這不僅導致葉片的工作應力增大，更為重要的是，還會導致葉片在其工作轉速的范圍內發生共振從而產生故障，高周疲勞的可靠性也因而降低。因此，對葉片的振動特性進行分析研究，以確保其在發動機工作轉速范圍內不發生共振并提高其高周疲勞的可靠性是非常重要的。研究葉片固有振動特性以排除葉片故障，提高可靠性，一直是燃氣輪機設計、生產和使用中十分關注的問題。

本例以分析渦輪葉片的固有振動特性為主，忽略阻尼的作用，故為對無阻尼自由振動系統的分析研究。

建模與分網

本例的建模、計算、后處理工作均是在軟件ANSYS完成的。由于QQ109型地面燃氣輪機共有兩級動力渦輪，它們從外形到工作環境均類似，分析方法也相同，故本文以第一級葉片進行分析為例。

渦輪葉片實體模型如圖1，葉片網格如圖2。

 

固有振動特性分析
振動傳感器

本例列舉了不同的溫度場條件(常溫和100轉速下的溫度分布)、邊界條件(簡單邊界條件：第一道榫齒工作面全約束；復雜邊界條件：第一道榫齒工作面全約束及葉冠周向兩側工作面法向位移協調)和轉速條件(六種工作轉速，即0，75，85，95，100，105的工作轉速)，對葉片固有振動特性結果作對比分析。

葉片的固有振動頻率值是取決于其幾何形狀和材料的，隨同葉片溫度分布、約束形式、和旋轉速度的不同，葉片的固有振動頻率將有所改變：

*溫度場條件對固有振動頻率的影響

圖2-1是渦輪葉片100轉速下常溫和有溫度場條件的固有頻率的圖形化描述，分析可得：

溫度升高，葉片材料的彈性模量E下降，導致剛性下降，故其固有振動頻率也會下降。
常溫下的各階固有頻率均大于相應的帶有100轉速下溫度場的固有頻率，且階次越高，它們的差值越大。

*邊界條件對固有振動頻率的影響

 

圖2-2是渦輪葉片100轉速下邊界條件不同時固有振動頻率的圖形化描述，分析可得：
振動傳感器

第一道榫齒工作面全約束及葉冠周向兩側工作面法向位移協調時其固有振動頻率因結構剛性比單純第一道榫齒工作面全約束有所增加，故頻率有所提高。

*轉速條件對固有振動頻率的影響

為分析轉速條件對葉片固有振動的影響，它的圖形可由Campbell共振圖(圖3)來描述。分析可得：

旋轉態下的葉片固有振動頻率隨轉速的增高而增大，且對低階頻率的影響較大，而對高階頻率的影響較小。

*溫度與轉速共同作用對固有振動頻率的影響

渦輪葉片在實際工作中，同時受溫度和轉速兩種效應的影響，兩者對葉片固有頻率的影響起相反作用。那種效應影響大，便決定葉片固有頻率是增還是減。由本文計算的渦輪葉片固有振動頻率的結果可知，兩種效應對渦輪葉片的影響相差不多，但溫度的影響稍大，使葉片的固有頻率稍有降低。

共振分析

*激振源分析

根據第一、二級渦輪導向器葉片數目分別為66片和72片；后機匣支板數目為18個以及由試驗確定該型燃氣輪機可能出現6或8個失速團，所以燃氣輪機在工作時，可能會存在由第一、二級渦輪導向器葉片及后機匣支板形成的尾流激振力和結構系數為6或8的氣體激振力。

Campbell圖即共振圖，是比較常用的一種判斷葉片工作時是否存在共振和共振轉速位置的工程圖解法。利用共振圖還可以找出共振時，葉片的固有振動頻率和激振頻率值，作為以后排故的依據。

依照隨轉速變化的各階頻率值，可作出渦輪葉片在復雜邊界條件下的Campbell共振圖分析，如圖3。

*共振轉速與共振裕度分析

根據地面燃氣輪機的工作特點，燃氣輪機從啟動開始，轉速很快由零過渡到工作轉速，故在所有的共振轉速中只有在工作轉速附近的共振轉速才是危險的。本例的共振裕度分析就是針對共振轉速而言的。其他的危險轉速為距共振轉速的轉速。從圖3中可得到渦輪葉片在復雜邊界條件下的共振分析。

結論

本文對QQ109地面燃氣輪機動力渦輪工作葉片的固有振動特性及共振特性作了數值分析。文中所應用的基本理論及有限元分析方法均是很成熟、可信的且曾用一些結構的振動分析計算結果與可靠的試驗數據對比過，其誤差均在3左右。運用ANSYS結構分析軟件作了合理的造型、元素選定及離散分網。使用上述計算分析方法所得的結果是具有一定準確性及參考價值的。