張新虹 ，潘宏剛，洪志同 ，孫 丹，于光佐 ，顏錦杭 ，任威霖

（1.沈陽工程學院 能源與動力學院，遼寧 沈陽 110136；2.沈陽泰科流體控制有限公司，遼寧 沈陽 110000；3.沈陽航空航天大學 發(fā)動機學院，遼寧 沈陽 110136；4.山西魯能河曲發(fā)電有限公司，山西 河曲 036509）

由于能源問題日益嚴重，對高效率、低成本的汽輪發(fā)電機組的需求越來越大。汽輪機低壓末級葉片決定著整個機組的功率，而高參數(shù)汽輪機的末級葉片往往很長。葉片在高速旋轉(zhuǎn)時的受力情況非常復雜，葉片的外形變化大，其振動頻率和振幅也隨之變的復雜[1]。汽輪機運行時，葉片不但承受著穩(wěn)態(tài)的離心力，還承受著由于汽流的不均勻性所引起的激振力的作用。因此，葉片事故時有發(fā)生，其所引起的損失往往占汽輪機事故損失的一半左右[2]。引起葉片事故的主要原因是葉片在振動疲勞后發(fā)生斷裂所致，所以分析葉片的振動特性就顯得特別重要。在汽輪機所有葉片中，末級葉片的振動最為強烈，而對葉片進行有效減振的普遍方式是對末級葉片增加阻尼結(jié)構(gòu)。因此，分析有阻尼結(jié)構(gòu)的末級長葉片的振動特性十分必要[3]。

目前，在抑制葉片振動的方法中，干摩擦阻尼結(jié)構(gòu)的應用最為廣泛。國內(nèi)外許多學者提出了多種描述接觸面間干摩擦特性的數(shù)學模型，單穎春[4]等利用干摩擦對葉片進行減振研究，應用多種非線性方法求解帶阻尼塊葉片的響應特點；李鋒[5]等將最優(yōu)化理論與阻尼葉片動力特性計算相結(jié)合，運用鮑威爾懲罰函數(shù)法，采用間隙、安裝位置以及阻尼器的結(jié)構(gòu)尺寸等系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，結(jié)合實際葉片進行優(yōu)化研究，優(yōu)化后的葉片振動響應降低，使葉片獲得了最優(yōu)的振動特性；丁千[6]等研究了汽輪機干摩擦阻尼器葉片在多諧波激勵作用下的振動，用平均法求出系統(tǒng)低階諧波共振的穩(wěn)態(tài)響應方程，分析了阻尼器參數(shù)與響應之間的關系，特別是初壓力對抑制葉片共振的效果。

本文以具有復雜阻尼結(jié)構(gòu)的汽輪機葉片為研究對象，搭建了阻尼葉片振動特性試驗裝置，研究不同的阻尼結(jié)構(gòu)對葉片振動特性的影響，對葉片振動過程中的固有頻率、振幅、加速度進行測量分析，為合理設計葉片并改善葉片振動特性提供了基礎數(shù)據(jù)，同時也對汽輪機的安全運行起到了一定的促進作用。

1 試驗裝置

阻尼葉片振動特性測量試驗裝置[7-8]如圖1 所示。試驗裝置的基座為500 mm×400 mm 的磁盤，通過開關控制磁盤的磁性來固定卡板和被測葉片，同時可以調(diào)節(jié)被測葉片及卡板的位置。夾緊裝置選用兩塊L 型鋼板，既可以保證與磁盤底座有足夠的接觸面積，又可以滿足強度要求。激振器選用電磁式激振器，與葉片不直接接觸，避免對葉片本身固有特性的影響。激振力的信號源來自信號發(fā)生器，經(jīng)功率放大器放大后輸入電磁激振器，通過信號發(fā)生器輸出頻率的大小來控制激振力的激振頻率。被測阻尼葉片選用某型汽輪機末級葉片，葉片的振動響應通過安裝在葉片附近的電渦流位移傳感器和磁座吸附在葉片上的加速度傳感器進行測量。振動位移和加速度數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)處理后顯示出來。通過在葉片與基座、葉片與L 型卡板之間加裝阻尼材料來實現(xiàn)不同的阻尼葉片系統(tǒng)。

圖1 阻尼葉片振動特性測量試驗裝置

2 阻尼葉片振動特性試驗方案

2.1 阻尼葉片系統(tǒng)

首先，建立阻尼葉片系統(tǒng)，選定被測葉片（200 MW 汽輪機末級葉片），將葉片根部固定在磁盤基座上，利用L 型卡板將葉片進一步固定，選用100 mm×50 mm×2.5 mm 的橡膠墊為阻尼材料，如圖2 所示。試驗過程中可將阻尼材料安裝在葉根與L 型卡板之間，以調(diào)節(jié)葉片系統(tǒng)的阻尼大小。本次試驗根據(jù)加裝阻尼位置和阻尼數(shù)量定義了5 種阻尼葉片系統(tǒng)工況：L00、L10、L11、L22、L33分別表示葉根左右未加阻尼、葉根左側(cè)加裝1 片阻尼材料并且右側(cè)不加裝阻尼材料、葉根左右兩側(cè)各加裝1 片阻尼材料、葉根左右兩側(cè)各加裝2 片阻尼材料、葉根左右兩側(cè)各加裝3片阻尼材料。

圖2 阻尼材料

2.2 激勵及響應

阻尼葉片的激勵主要利用信號發(fā)生器產(chǎn)生的電信號，通過功率放大器將信號放大，再經(jīng)電磁激振器進行輸出轉(zhuǎn)化，利用信號發(fā)生器輸出頻率的變化控制激振器磁力周波的變化[9-10]。電磁激振器與葉片之間采用非接觸方式安裝，不影響被測葉片的固有頻率。阻尼葉片系統(tǒng)的振動特性試驗主要測量葉片在不同激振情況下的固有頻率、固定點的振動位移和葉根部位的振動加速度值，測量的位移和加速度數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集分析儀處理后，顯示出響應數(shù)值。激振器與電渦流位移傳感器的安裝位置如圖3 所示，加速度傳感器安裝于葉根位置，如圖4所示。試驗中，改變加速度傳感器的測量位置（1#、2#、3#、4#），對葉根不同位置的振動加速度進行測量。

圖3 激振器及位移傳感器位置

圖4 加速度傳感器測點位置

3 試驗結(jié)果分析

3.1 試驗數(shù)據(jù)整理

搭建好試驗裝置后，進行測量。通過調(diào)節(jié)信號發(fā)生器輸出信號，利用共振原理，對阻尼葉片進行激振。同時利用采集系統(tǒng)對阻尼葉片進行振動特性測量，分別測出 L00、L10、L11、L22、L33這 5 種工況下對應的振動數(shù)據(jù)，如表1和圖5所示。

表1 不同阻尼葉片振動特性參數(shù)

圖5 不同阻尼葉片振動特性試驗曲線關系

L00、L11、L22、L33這 4 種工況下葉根不同位置的振動加速度如表2和圖6所示。

表2 不同阻尼情況葉根不同位置振動加速度值 m/s2

圖6 不同阻尼葉片葉根不同位置振動加速度曲線關系

3.2 結(jié)果分析

由表1和圖5可知，隨著阻尼量的增加，葉片的固有頻率隨之減小，主要是由于葉根的緊固強度下降所導致，5種工況下固有頻率變化數(shù)值并不大，同時單側(cè)加阻尼材料與不加阻尼材料相比，固有頻率增加了0.1 Hz，可能是加上一個阻尼材料導致了葉根緊固程度有所提高。添加阻尼材料后，葉片振動的幅值呈現(xiàn)出先減小再增大的趨勢，這說明添加阻尼材料可以減小葉片振動幅值，但是會存在一個最佳的阻尼值。由此可見，葉根左右兩側(cè)各加裝一個阻尼材料對葉片減振效果最佳。

由表2和圖6可知，隨著阻尼材料的增加，葉根任一位置的加速度值先增大再減小，也存在一個最佳阻尼值?？拷~片根部1#和4#位置測點的振動加速度明顯高于遠離葉片根部的2#和3#位置，這說明葉片的振動加速度沿著葉根向葉頂?shù)姆较蛑饾u增大，與葉根部位約束有關。

4 結(jié) 論

本文以具有復雜阻尼結(jié)構(gòu)的汽輪機葉片為研究對象，搭建了阻尼葉片振動特性試驗裝置，研究了不同的阻尼結(jié)構(gòu)對葉片振動特性的影響，對葉片振動過程中的固有頻率、振幅、葉根不同位置振動加速度進行了測量分析，得出以下結(jié)論：

1）隨著阻尼量的增加，葉片的固有頻率隨之減小，固有頻率變化數(shù)值并不大；

2）添加阻尼材料后，葉片振動的幅值呈現(xiàn)出先減小再增大的趨勢，存在一個最佳的阻尼值；

3）隨著阻尼材料的增加，葉片振動加速度先增大再減小，也存在一個最佳阻尼值；

4）葉片的振動加速度沿著葉根向葉頂?shù)姆较蛑饾u增大，與葉根部位約束有關。