一種壓氣機(jī)葉片截面厚度變化與靜頻關(guān)系研究

包興進(jìn)

（東方汽輪機(jī)有限公司，四川 德陽(yáng)618000）

0 引言

壓氣機(jī)葉片靜頻是關(guān)系到燃?xì)廨啓C(jī)安全性的重要參數(shù)。靜頻分散度過(guò)大會(huì)導(dǎo)致動(dòng)調(diào)頻困難，增加機(jī)組共振損壞的風(fēng)險(xiǎn)。因此研究葉片靜頻變化十分重要。

隨機(jī)組參數(shù)的增大，壓氣機(jī)多采用變截面葉片，人們運(yùn)用瑞利法提出了變截面葉片靜頻的估算公式[1]：

式中：E為彈性模量；ρ為材料密度；I為慣性矩；l為型面長(zhǎng)度；A為截面積；y0為初始振型。

由式（1）看出，在葉片材料不變的情況下，葉片頻率主要受截面積A、慣性矩I、葉片型面長(zhǎng)度l的影響。在實(shí)際加工過(guò)程中，葉片均采用高精度五軸設(shè)備進(jìn)行加工，葉片截面只會(huì)相對(duì)理論型線均勻偏置，可以用葉片截面厚度變化代表截面積A、慣性矩I的變化。本文固定型面長(zhǎng)度l，對(duì)葉片截面厚度變化對(duì)頻率的影響進(jìn)行研究。

1 葉片結(jié)構(gòu)

某葉片為某F級(jí)50 MW燃?xì)廨喌膲簹鈾C(jī)葉片，葉根為隼型結(jié)構(gòu)，型面無(wú)阻尼結(jié)構(gòu)。型面長(zhǎng)度為50.54 mm，葉片總長(zhǎng)為 67.37 mm，葉片型面為典型UV曲面，截面厚度由13組曲面U線驅(qū)動(dòng), U線均布在葉片型面上，葉片結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 某壓氣機(jī)葉片結(jié)構(gòu)示意圖

2 模型建立與數(shù)值模擬方法驗(yàn)證

2.1 參數(shù)化模型建立

1）標(biāo)準(zhǔn)模型建立。采用Creo導(dǎo)入理論型面U線，分別偏置各樣條串，偏置方向?yàn)榻孛娣e增大方向，如圖2所示。將各偏置曲線混合構(gòu)建葉片的型面。

圖2 曲線偏置示意圖

2）標(biāo)準(zhǔn)模型參數(shù)化。提取Creo中模型各曲線偏置的尺寸ID，參數(shù)表可表示為

式中：$表示Creo區(qū)分正負(fù)；Δn為正則表示型線厚度增大；Δn為負(fù)則表示型線厚度減小。

2.2 軟件分析數(shù)據(jù)對(duì)比

一般情況下，國(guó)內(nèi)外學(xué)者往往采用ANSYS作為模態(tài)分析工具，而Creo Simulate參數(shù)化建模的特性更有利于本文的分析，葉片材料特性如表1所示。

表2中統(tǒng)計(jì)兩種軟件的分析結(jié)果，數(shù)據(jù)表明Creo Simulate相對(duì)ANSYS一階頻率誤差為0.48%，二階頻率誤差0.087%，Creo Simulate分析可靠。

3 數(shù)值模擬

3.1 截面厚度均勻變化

葉片截面厚度滿(mǎn)足Δn=Δn+1，n∈[0,13]定義為截面厚度均勻變化，圖3是截面均勻變化情況下，截面厚度變化量Δ與頻率變化率關(guān)系的模擬曲線。

表1 葉片材料特性

表2 不同軟件頻率分析

圖3 截面厚度變化量與頻率變化關(guān)系

從圖3可以看出，葉片一階、二階頻率隨葉片截面增厚而增大，隨葉片減薄而減小，二階頻率的變化率大于一階頻率。截面厚度均勻減小0.1后，葉片f1降低3.04%，f2降低了3.04%。葉片均勻增厚0.1后，f1葉片增加3.28%，f2增加3.74%。

3.2 截面厚度梯度變化

葉片截面厚度滿(mǎn)足式（3）中條件，定位為截面厚度梯度變化。n22

按表3設(shè)定數(shù)值計(jì)算條件。圖4為表3中各條件下的數(shù)值分析與截面理論狀態(tài)下的對(duì)比圖。

圖4 截面厚度梯度變化與頻率變化關(guān)系

圖4表明，在平均厚度為0.04的情況下，C1<0時(shí)f1增大3.349%，f2增大2.497%，C1>0時(shí)f1減小0.083%，f2增大0.2%;C1>0時(shí)，葉片f1、f2變化率最小，即葉根至葉頂逐漸增大更有利于頻率的控制。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

4.1 實(shí)驗(yàn)條件界定

實(shí)際加工中，不同葉片的總長(zhǎng)加工存在偏差，經(jīng)數(shù)值仿真計(jì)算，總長(zhǎng)偏差∈[0，0.1]時(shí)，葉片f1變化0～-0.34%，f2變化0～-0.244%，誤差較小。本次實(shí)驗(yàn)以總長(zhǎng)偏差∈[0，0.1]的葉片作為研究對(duì)象。

葉片加工過(guò)程中截面厚度變化不會(huì)產(chǎn)生突變，均布在型線上的3個(gè)截面可代表葉片全部截面厚度的變化，即Δ3、Δ7、Δ11。對(duì)比實(shí)驗(yàn)中，數(shù)值模擬的模型其余截面依據(jù)Δ3、Δ7、Δ11進(jìn)行線性插補(bǔ)。

4.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

1）截面厚度測(cè)量設(shè)備。采用海克斯康GLOBLE三坐標(biāo)檢驗(yàn)葉片截面的厚度。

2）頻率測(cè)量設(shè)備。固定葉根，采用086B04力錘、482C05信號(hào)調(diào)理器、PSV激光測(cè)振儀、PCB-130E20聲音傳感器、同軸信號(hào)電纜獲取葉片前兩階頻率f1、f2。

4.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

選取4組截面葉片進(jìn)行測(cè)量、數(shù)值模擬。各葉片的截面厚度三坐標(biāo)檢驗(yàn)偏差數(shù)據(jù)如表4所示。圖5是表4中4組葉片的實(shí)測(cè)值、模擬值。

圖5 模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

葉片截面偏差間誤差較小，引起的頻率變化較小，可視為均勻變化。由圖5可以看出，實(shí)測(cè)值與模擬值之間f1存在約1.5%的偏差，f2存在約1%的偏差，實(shí)測(cè)值與模擬值f1、f2變化趨勢(shì)一致。

5 結(jié)論

1）測(cè)量值與模擬值f1存在約1.5%的偏差，f2存在約1%的偏差，變化方向一致，驗(yàn)證了參數(shù)化數(shù)值計(jì)算模型的可靠性；2）葉片截面厚度變化影響葉片頻率，葉片厚度均勻變化情況下，在一定范圍內(nèi)厚度變化與頻率變化方向一致，在加工中控制葉片厚度的偏差有利于控制葉片頻率；3）葉片截面厚度平均變化量相等時(shí)，葉根至葉頂逐漸增大時(shí)頻率變化最小，葉根至葉頂均勻變化次之，葉根至葉頂逐漸減小時(shí)頻率變化最大；4）加工中應(yīng)該優(yōu)先保證葉根處的截面厚度，有利于控制葉片頻率。