(東方汽輪機有限公司，四川 德陽 618000)

0 引言

葉片是汽輪機的核心部件，對機組的正常運行有至關(guān)重要的影響。運行時，葉片因不斷受到汽流的沖擊作用，從而產(chǎn)生振動，特別是當(dāng)葉片的固有動頻率與激振力頻率相等或相近時，將引起共振，使葉片產(chǎn)生振動疲勞破壞，嚴(yán)重影響機組的正常運行[1]。為此，設(shè)計部門在使其所設(shè)計葉片具有足夠的動頻避開裕度的基礎(chǔ)上，對葉片的加工質(zhì)量也提出了較高的要求，特別是對成品長葉片有測靜頻率要求、對其靜頻率分散度進行了限制。目前，靜頻率測試已成為長葉片裝配前以及機組大修時的重要檢查項目。

我公司的單只動葉片靜頻率檢測是葉片批量完工后的一道檢驗工序。從2008年9月底開始，某機型汽輪機末級葉片出現(xiàn)大批量葉片頻率偏低現(xiàn)象，由于葉片的頻率超差問題，造成大量的葉片因頻率不合格滯留于加工分廠。為查找葉片頻率超差原因，對影響葉片頻率超差的關(guān)鍵因素進行了分析排查，確定了葉身幾何尺寸公差帶過大是影響葉片頻率偏差的主要原因，并提出了改進措施，解決了困擾制造部門的長葉片頻率超差問題。

1 末級葉片現(xiàn)狀

該末級葉片的基本參數(shù)(見圖1)：自帶冠叉形葉根；重量27.06～28.74 kg；設(shè)計頻率范圍27～28.6 Hz。

從2008年9月底開始，該末級葉片出現(xiàn)批量性頻率低于設(shè)計要求范圍的現(xiàn)象，通過修頻也不能滿足要求。對于低于頻率控制范圍1 Hz(頻率范圍為26～26.9 Hz)的葉片，我們將其稱為特殊頻率范圍，標(biāo)識為TP，對此，我們對該級葉片頻率情況做了一個統(tǒng)計。

1)2008年10月—2010年9月1日共測量3 993件正向葉片，其中TP有1 416件，占總數(shù)的35.5%；反向葉片4 087件，其中TP有2 008件，占總數(shù)的49.1%。

2)從2010年8月至2011年6月，因頻率低于TP范圍共返修了304件，其中正向葉片184件，反向葉片120件，頻率均在25～25.9 Hz。

圖1 葉片結(jié)構(gòu)圖

2 原因分析

針對該末級葉片出現(xiàn)大批量葉片頻率偏低的情況，我們決定從葉片材料、制造精度、測頻系統(tǒng)及工裝可靠性幾方面進行原因分析。

外部原因：測頻系統(tǒng)的差異和測頻工裝的影響。

內(nèi)部原因：葉片材料的彈性模量和葉片圍帶厚度、汽道高度以及葉身幾何尺寸精度[2]。

其中，葉身型線加工公差是最有可能導(dǎo)致葉片頻率偏低的原因。但為了不放過任何一個可能，圍繞這幾個可能導(dǎo)致葉片頻率偏低的原因，我們分別展開了調(diào)查和分析的工作。

2.1 測頻系統(tǒng)的影響

該末級葉片采用的測頻系統(tǒng)(包括應(yīng)用軟件、傳感器、連接線、木錘)與其他葉片的測頻系統(tǒng)為同一系統(tǒng)(見圖2)，傳感器的自重對葉片頻率的影響我們也經(jīng)過了試驗證明沒問題。而且頻率偏低的情況僅在部分葉片上出現(xiàn)，相同的測頻系統(tǒng)檢測其他葉片的靜頻率時并沒有出現(xiàn)異常問題，因此該原因被排除。

圖2 測頻系統(tǒng)

2.2 測頻工裝的影響

該末級葉片葉根為內(nèi)凹背凸的叉形，轉(zhuǎn)子裝配時僅裝配面接觸，中間部分(內(nèi)凹背凸)不接觸。測頻工裝(見圖3)的設(shè)計與轉(zhuǎn)子裝配相同，即葉根裝配面與工裝接觸受力。該末級葉片測頻工裝是經(jīng)過設(shè)計部門認(rèn)可的，與裝配有一定差異，但符合測試工作頻率的要求。由于工裝的選材不能比葉片硬度高，因此，工裝在使用一定時間后將會出現(xiàn)變形。變形后，可能導(dǎo)致工裝與葉根貼合面接觸不好，使得測得的頻率偏低。

圖3 測頻工裝

為掌握葉片葉根不同平面與測頻工裝的接觸，即受力面不同所帶來的頻率值變化，我們特選取了一只葉片做了3次試驗，受力面依次為：葉根內(nèi)背所有表面、葉根裝配面以及葉根中間部分。1階頻率檢測的結(jié)果依次為： 25.70 Hz，25.55 Hz，25.55 Hz。

從結(jié)果來看，3次試驗的1階頻率值變化在0.2 Hz的范圍，可以說測頻工裝的夾緊狀態(tài)對1階頻率的影響是相當(dāng)小的，并非引起該末級葉片頻率普遍偏低的主要原因。

2.3 葉片材料彈性模量對頻率的影響

由于葉片頻率高低與材料彈性模量有關(guān)，為了評判實際產(chǎn)品葉片材料彈性模量高低對頻率能產(chǎn)生多大影響，我們對實際產(chǎn)品葉片彈性模量進行了測量。從中國科學(xué)院金屬研究所提供的檢驗結(jié)果(見表1)看，實測產(chǎn)品葉片常溫時的彈性模量為206.7 GPa，材料手冊上提供的該葉片材料常溫彈性模量為216 GPa，差異約4.6%。同一模型有限元計算靜頻，采用與實際產(chǎn)品測量靜頻相同的約束方式，用實測彈性模量比用手冊上彈性模量得到的頻率要低約0.6 Hz，差異約2.2%?？梢哉J(rèn)為，該差異遠(yuǎn)小于6%的頻率分散度要求，設(shè)計給定的頻率合格范圍可以涵蓋彈性模量差異導(dǎo)致的頻率差異。

表1 彈性模量數(shù)據(jù)

對于產(chǎn)品葉片來說，材料的工藝、成分均有著嚴(yán)格的要求，因此不同批次材料(即使供應(yīng)商不同)的彈性模量即使有差異也不大，如上面所說的4.6%差異已算很大，但其對頻率的影響仍有限。而目前加工出來的葉片頻率要比2008年以前加工出來的葉片頻率平均要低2 Hz以上，因此材料彈性模量的差異并非目前葉片頻率偏低一大截的主要原因。特別是最近發(fā)現(xiàn)同一批次的葉片中，有頻率高達27 Hz的葉片，也有頻率低于25 Hz的葉片，也說明了材料彈性模量差異并非葉片頻率嚴(yán)重偏低的主要原因。

2.4 圍帶厚度偏厚

經(jīng)過計算，我們對正常圍帶厚度葉片和圍帶加厚1 mm葉片分別計算了其頻率值，結(jié)果如表2所示，可以看出，圍帶加厚1 mm對頻率影響僅為0.43 Hz。

表2 圍帶厚度變化對頻率的影響

同時，經(jīng)檢查，加工出來頻率偏低的末級葉片，其圍帶厚度均在圖紙公差范圍內(nèi)。因此，圍帶厚度并非引起葉片頻率偏低的主要原因。

2.5 汽道高度偏差的影響

我們知道葉身越長，頻率值越低，那么長度對頻率的影響有多大可通過計算得知。經(jīng)過計算，我們對正常汽道高度葉片和汽道高度加高1 mm葉片分別計算了其頻率值，結(jié)果如表3所示，可以看出，汽道高度加高1 mm對頻率影響僅為0.09 Hz。

表3 汽道高度變化對頻率的影響

同時，經(jīng)檢查，加工出來頻率偏低的末級葉片，其汽道高度均在圖紙公差范圍內(nèi)。因此，汽道高度偏差并非引起葉片頻率偏低的主要原因。

2.6 葉身型線幾何尺寸偏差的影響

為確定葉身型線幾何尺寸對頻率的影響，我們挑選了2只葉片進行了試驗(見圖4)。#1葉片為頻率偏低葉片，其實測頻率為24.7 Hz；#2葉片為頻率高的葉片，其實測頻率為27.75 Hz。

首先，我們對這2只葉片的葉身型線各截面(從V～V至AC～AC共18個截面)最大厚度(Dmax)進行了測量和對比，結(jié)果如表4所示(其中，M和K截面分部為靠近拉筋下部和靠近拉筋上部的型線截面)。

從2只葉片的幾何尺寸檢測結(jié)果，頻率高的#2葉片Dmax值明顯要比頻率偏低的#1葉片Dmax值偏大，特別是拉筋以上型線截面，Dmax值差異最大達到了1 mm。由此，我們懷疑，該末級葉片頻率的高低差異大主要是由葉身型線的Dmax值差異大導(dǎo)致的。

圖4 試驗葉片的型線截面Dmax對比

表4 試驗葉片最大厚度Dmax對比

為判別到底是哪些截面對頻率影響大，我們對#2葉片(27.75 Hz)葉片進行了4次修磨葉身試驗。修身后葉片頻率結(jié)果如表5所示。

表5 修頻試驗結(jié)果

從表5可以看出：修磨D以上截面至頂部(AC、B、C截面)會使一階頻率上升；修磨拉筋上部K～D截面會使一階頻率下降；修磨拉筋下M截面對頻率幾乎無影響。

由此，我們可以得到如下結(jié)論：對于這種帶拉筋凸臺結(jié)構(gòu)的動葉片，頻率受影響的范圍是拉筋凸臺至葉頂部分的幾何尺寸，拉筋以下幾何尺寸的公差變化對頻率幾乎無影響。

為了得到更確定的結(jié)果，我們對地震后出現(xiàn)同樣大批量葉片頻率偏低問題的其他機型末級葉片進行了修頻試驗，采用同上述類似的修頻方式，修頻結(jié)果得到的結(jié)論與該末級葉片相同，這也證實了我們的判斷。

經(jīng)過以上確認(rèn)，我們找出了影響該末級葉片頻率偏低的主要原因為葉身幾何尺寸。

3 確定改進方案

根據(jù)前面的試驗確定葉身幾何尺寸是影響葉片頻率的主要原因，因此，我們對汽道型面的公差帶進行了調(diào)整，將V～C截面公差帶從(+0.5，-0.6)調(diào)整為(+0.3，-0.1)，B和AC截面公差帶不變，所以截面最大厚度(Dmax)名義尺寸增加了0.2 mm，最終型面幾何尺寸滿足圖紙要求。

與此同時，我們對2009年以來出現(xiàn)同樣問題的其他機型末級葉片進行了葉身公差帶調(diào)整，同樣，調(diào)整后加工的葉片最終型面幾何尺寸滿足圖紙要求。

目前該末級正向葉片共加工了262只，其實測頻率范圍是26.07～27.75 Hz，比工藝方案調(diào)整前的頻率值提高了1 Hz；該末級反向葉片共加工了203只，其實測頻率范圍是26.05～27.7 Hz，比工藝方案調(diào)整前的頻率值提高了0.9 Hz。

此外，與該末級葉片結(jié)構(gòu)相同的其他機型末級葉片也按此工藝方案進行了調(diào)整、加工，其結(jié)果是頻率提升了1.5 Hz，證明工藝方案是有效的。詳細(xì)統(tǒng)計結(jié)果如表6所示。

表6 本機型和其他機型末級葉片頻率統(tǒng)計

4 結(jié)語

隨著汽輪機不斷地向高參數(shù)、大容量方向發(fā)展，它們的運行安全性和可靠性日益受到關(guān)注和重視，要求我們依據(jù)科學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)，使用先進的技術(shù)手段，對那些工作條件比較嚴(yán)峻的重要部件進行有效的監(jiān)督或進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，確保機組安全、可靠地運行。而本文通過對末級葉片材料、制造精度、測頻系統(tǒng)等方面進行逐一排查和試驗后，使我公司在帶拉筋凸臺長葉片的頻率控制方面找到了方向，保證了長葉片的加工制造質(zhì)量，也為保障長葉片的安全性奠定了基礎(chǔ)。