汽輪機(jī)葉輪振動分析

陳玉垅

吉林松花江熱電有限公司，吉林吉林 132002

汽輪機(jī)是機(jī)組的重要組成部分，葉輪在高速的旋轉(zhuǎn)之下會產(chǎn)生振動，過大的振動會帶來大的噪音，也會影響葉輪和葉片的使用壽命。因此，對汽輪機(jī)的葉輪振動特性進(jìn)行分析，不僅能夠減少汽輪機(jī)在運(yùn)行過程中的損耗，對整個機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行也具有非常重要的意義。汽輪機(jī)的葉輪在高速旋轉(zhuǎn)之下會產(chǎn)生離心力，加上流場不均勻，很容易使葉片的升力發(fā)生變化，葉輪受到影響而發(fā)生振動。在葉輪本身固有的頻率和激振力的頻率一樣或者成整數(shù)倍的情況下，就會產(chǎn)生共振現(xiàn)象，影響葉輪的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

1 葉輪計算模型

1.1 葉輪計算模型的建立

本文研究的葉輪計算模型的建模，選擇采用I-DEAS 軟件進(jìn)行模型的建立和功能計算。汽輪機(jī)的葉輪建模主要分為兩個部分，一個是輪盤模型的建立，另一個是葉片模型的建立。對于輪盤部分的模型繪制，通過旋轉(zhuǎn)命令即可建檔的繪制出來。相比之下，葉片是呈曲面的，空間曲面比較復(fù)雜，所以葉片的建模采用的是三維實體掃描儀，配合使用建模軟件進(jìn)行模型的建立。根據(jù)非均勻有理樣條函數(shù)B-rep 進(jìn)行插值，將點陣進(jìn)行連接從而形成一個曲面，然后將曲面在建模軟件I-DEAS 中導(dǎo)入進(jìn)去縫合，完成縫合后的曲面能夠生成一個邊界為曲面的葉片實體。在這個實體基礎(chǔ)上輸入陣列命令，在經(jīng)過布爾運(yùn)算最終生成一個汽輪機(jī)葉輪的模型。本文研究分析的汽輪機(jī)葉輪模型如圖1（a）所示：

圖1 葉輪計算模型

1.2 模型的網(wǎng)格劃分

本文研究分析的葉輪的輪盤和葉片鑄造材料為鋁合金，設(shè)定密度為2880kg·m-3，葉輪輪盤的彈性模量是67680N·mm-2。對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分采用的軟件為I-DEAS 軟件，設(shè)定節(jié)點的數(shù)量是7590，單元數(shù)是28317，在0 至980Hz 的范圍內(nèi)對模型的模態(tài)頻率進(jìn)行計算，再對0 至450Hz 的范圍內(nèi)對動態(tài)頻率進(jìn)行計算，需要注意的是在進(jìn)行動頻的計算的過程中，要對葉輪內(nèi)孔和轉(zhuǎn)軸之間的過盈量加以充分的考慮。

2 葉輪的振型和固有頻率的分析

為了能夠更加方便清晰的對葉輪的振型進(jìn)行分析，我們采取了分析振動類型的方法。如下圖2 所示：

圖2 模型各階模態(tài)頻率和振型的關(guān)系圖

我們對上圖的結(jié)果進(jìn)行分析，葉輪的振動的類型可以總結(jié)起來可以分為五種類型：第一種是以軸向A0 為振動方向的振動類型；第二種是以切向A0 為振動方向的振動類型；第三種是以扭轉(zhuǎn)方式為主的振動類型；第四種是以切向A1 為主的振動類型；第五種是傘形的振動類型。葉輪在高速旋轉(zhuǎn)的過程中會產(chǎn)生離心力，在各個階段轉(zhuǎn)速不同，各階的固有頻率也不相同，葉輪的轉(zhuǎn)速增加相應(yīng)的其固有頻率也增加，固有頻率增加的幅度是和轉(zhuǎn)速成正比例關(guān)系的。葉輪在不同轉(zhuǎn)速情況下各階的固有頻率參見下表1 所示：

表1 葉輪不同轉(zhuǎn)速下的固有頻率（單位Hz）

3 結(jié)論

本文對葉輪振動的研究，通過的有限元的方法，對葉輪進(jìn)行建模和模型的網(wǎng)格劃分，分析其振型，對固有頻率進(jìn)行計算和檢測得出該葉片具有良好的剛度，運(yùn)行安全性和穩(wěn)定性良好。針對葉輪在共振時所帶來的一系列問題，可以通過改變?nèi)~輪的結(jié)構(gòu)，同時避免在葉輪共振頻率的范圍內(nèi)產(chǎn)生激振頻率，可有效的解決共振問題。

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