劉長(zhǎng)春，關(guān)淳，郭魁俊，李宇峰，馬義良

汽輪機(jī)長(zhǎng)葉片顫振預(yù)測(cè)方法

劉長(zhǎng)春，關(guān)淳，郭魁俊，李宇峰，馬義良

（哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江省 哈爾濱市 150046）

基于葉片氣動(dòng)和結(jié)構(gòu)振動(dòng)仿真計(jì)算平臺(tái)，建立了汽輪機(jī)長(zhǎng)葉片流固耦合的三維計(jì)算模型。以國(guó)外某60Hz汽輪機(jī)機(jī)組次末級(jí)葉片為例，分析了葉片流場(chǎng)的氣動(dòng)特性和整圈葉片結(jié)構(gòu)場(chǎng)的振動(dòng)特性，并進(jìn)一步結(jié)合能量法準(zhǔn)則，提出了汽輪機(jī)長(zhǎng)葉片顫振預(yù)測(cè)和評(píng)估的方法。結(jié)果表明，機(jī)組流量和葉片節(jié)徑振動(dòng)形式對(duì)葉片顫振特性影響很大。對(duì)于當(dāng)前次末級(jí)葉片，40%流量工況時(shí)，流場(chǎng)內(nèi)壓力脈動(dòng)誘導(dǎo)葉片顫振發(fā)生的概率為80%～90%，因此在小流量工況下需慎重使用該類葉片?；趩蜗蛄鞴恬詈系姆椒?，能夠有效且相對(duì)快速地分析流場(chǎng)中脈動(dòng)壓力作用下的周期功，獲得葉片模態(tài)振動(dòng)條件下的氣動(dòng)阻尼系數(shù)，從而預(yù)測(cè)葉片顫振特性。

汽輪機(jī)；流固耦合；氣動(dòng)特性；振動(dòng)特性；顫振預(yù)測(cè)

0 引言

大型汽輪機(jī)葉片的工作條件非常惡劣，葉片事故也時(shí)有發(fā)生，葉片事故是造成機(jī)組強(qiáng)迫停機(jī)的主要原因之一。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，運(yùn)行中葉片事故約占汽輪機(jī)事故的40%，其中60%～80%葉片損壞與振動(dòng)疲勞失效導(dǎo)致的斷裂有關(guān)，而葉片的檢修費(fèi)用約占汽輪機(jī)檢修費(fèi)用的50.5%。隨著大功率汽輪機(jī)的發(fā)展，汽輪機(jī)低壓缸末幾級(jí)葉片的展弦比越來(lái)越大，剛度越來(lái)越小，其顫振問題也因此愈發(fā)突顯，尤其是對(duì)于那些需要頻繁在小負(fù)荷、高背壓工況下運(yùn)行的大型汽輪機(jī)，葉片顫振問題逐漸引起關(guān)注[1-4]。

葉片顫振是一種由流體誘發(fā)的振動(dòng)，是流體和結(jié)構(gòu)相互作用產(chǎn)生的不穩(wěn)定現(xiàn)象。對(duì)葉片的顫振特性的研究涉及到流體動(dòng)力學(xué)和結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)2個(gè)方面。關(guān)于汽輪機(jī)長(zhǎng)葉片顫振的分析，目前國(guó)外自由葉片的計(jì)算及試驗(yàn)考核體系基本完善。但在國(guó)內(nèi)，顫振分析仍主要集中在壓氣機(jī)和航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片，關(guān)于電廠汽輪機(jī)葉片顫振分析方法的研究仍然存在很大不足，尤其是對(duì)于整圈圍帶連接的長(zhǎng)葉片，尚缺少業(yè)內(nèi)公認(rèn)的顫振考核標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)估體系。

目前，葉片顫振問題的研究方法主要有兩大類：一是基于半經(jīng)驗(yàn)的變形激盤法[4-6]，這種顫振預(yù)測(cè)的方法已被成功應(yīng)用于航空領(lǐng)域；二是數(shù)值計(jì)算方法，主要包括能量法和基于流固耦合的時(shí)域分析法。其中，能量法是根據(jù)葉片模態(tài)分析的結(jié)果，針對(duì)特定的葉片振動(dòng)頻率、振幅和振型，通過分析一個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)流體對(duì)葉片做功的大小來(lái)分析預(yù)測(cè)葉片的顫振[7-8]。近幾年來(lái)，計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展使得計(jì)算流體/固體力學(xué)耦合計(jì)算方法也得到了迅速的發(fā)展?；诹鞴恬詈系臅r(shí)域分析法能夠同時(shí)考慮流體的氣動(dòng)阻尼和葉片的機(jī)械阻尼，更加真實(shí)地反映流場(chǎng)與結(jié)構(gòu)場(chǎng)之間的相互作用，已被應(yīng)用于葉片顫振研究方面[9-11]。時(shí)域分析的耦合方法分為全耦合和離散耦合2種。采用全耦合方法時(shí)，流體和固體方程在一個(gè)統(tǒng)一的矩陣中求解，這種方法需要的假設(shè)條件少，更接近于實(shí)際過程，但是求解矩陣的建立非常困難，并且計(jì)算量巨大，計(jì)算收斂困難，對(duì)于流動(dòng)和結(jié)構(gòu)的耦合只能應(yīng)用于一些非常簡(jiǎn)單的研究。離散耦合法將耦合系統(tǒng)分解成單獨(dú)的子系統(tǒng)，用傳統(tǒng)方法逐一求解各子系統(tǒng)，利用流固交界面在子系統(tǒng)之間傳遞壓力和位移等耦合信息，通過迭代使整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到平衡[12]。目前，幾乎所有的流固耦合分析都采用離散耦合方法。

由此可知，得益于計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，流固耦合方法已逐漸成為葉片氣彈性耦合計(jì)算的主流方法，并有望成為葉片顫振特性研究的重要手段。但目前關(guān)于汽輪機(jī)葉片顫振特性流固耦合方法的研究依然很少，尤其是對(duì)于整圈存在圍帶連接的葉片組，其顫振特性流固耦合方法鮮見報(bào)道。為此，本文基于葉片氣動(dòng)和結(jié)構(gòu)振動(dòng)仿真計(jì)算平臺(tái)，建立了汽輪機(jī)長(zhǎng)葉片流固耦合的三維計(jì)算模型，分析了葉片流道內(nèi)流場(chǎng)的氣動(dòng)特性和整圈葉片結(jié)構(gòu)場(chǎng)的振動(dòng)特性，并進(jìn)一步結(jié)合能量法準(zhǔn)則，提出了汽輪機(jī)長(zhǎng)葉片顫振預(yù)測(cè)和評(píng)估的方法，有利于在汽輪機(jī)長(zhǎng)葉片前期的開發(fā)和設(shè)計(jì)中降低葉片顫振的風(fēng)險(xiǎn)，為汽輪機(jī)長(zhǎng)葉片的安全使用提供依據(jù)。

1 計(jì)算模型和方法

1.1 計(jì)算模型

本文以國(guó)外某60Hz汽輪機(jī)次末級(jí)動(dòng)葉為研究對(duì)象，表1為該葉片、圍帶及輪槽等部件的材料參數(shù)和機(jī)組在該級(jí)的設(shè)計(jì)參數(shù)?；谌~片氣動(dòng)和結(jié)構(gòu)振動(dòng)仿真計(jì)算平臺(tái)，分別建立了氣動(dòng)分析子系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)分析子系統(tǒng)，并以葉片壓力面和吸力面為流固耦合面，將氣動(dòng)分析壓力場(chǎng)結(jié)果直接傳遞給結(jié)構(gòu)分析子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了流固耦合分析系統(tǒng)的構(gòu)建。為了確保2個(gè)子系統(tǒng)耦合面之間數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確，需要保證流場(chǎng)模型和結(jié)構(gòu)場(chǎng)模型節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)保持一致。為此，本文在計(jì)算模型構(gòu)建過程中，首先將葉片型線文件導(dǎo)入網(wǎng)格劃分模塊中，獲得流場(chǎng)計(jì)算域模型，而后經(jīng)網(wǎng)格處理模塊實(shí)現(xiàn)葉片實(shí)體和流場(chǎng)計(jì)算域之間的分離，進(jìn)一步將葉片實(shí)體導(dǎo)入U(xiǎn)G軟件中進(jìn)行二次模型修正，最終得到葉片結(jié)構(gòu)場(chǎng)的計(jì)算域模型。通過這樣的方式建立模型，能夠保證在整個(gè)模型建立過程中葉片壓力面和吸力面的坐標(biāo)始終保持不變，從而確保了耦合面之間數(shù)據(jù)映射準(zhǔn)確。流固耦合分析流程如圖1所示。

表1 轉(zhuǎn)子材料和設(shè)計(jì)參數(shù)

圖1 流固耦合分析流程圖

氣動(dòng)分析子系統(tǒng)采用計(jì)算流體力學(xué)(computational fluid dynamics，CFD)模塊進(jìn)行三維、可壓縮、單相、黏性流場(chǎng)分析，湍流模型選取模型，邊界層采用可擴(kuò)展壁面函數(shù)進(jìn)行處理，壁面光滑、無(wú)摩擦，工質(zhì)選用濕蒸汽，工質(zhì)參數(shù)基于IAPWS IF97數(shù)據(jù)庫(kù)獲得。本文選擇2個(gè)工況點(diǎn)作為研究工況，分別為100%流量和40%流量，2個(gè)工況點(diǎn)的邊界參數(shù)見表2。對(duì)于100%流量工況，入口邊界采用Inlet模式，條件限定為壓力和溫度，出口邊界采用Outlet模式；但對(duì)于40%流量工況，考慮到小流量可能會(huì)引起汽流回流，入口和出口模式均改為Opening模式，使計(jì)算具備捕捉汽流回流的功能。流道網(wǎng)格為六面體網(wǎng)格，采用雙流道模型作為計(jì)算域，圖2為計(jì)算域網(wǎng)格劃分，經(jīng)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，確定單流道網(wǎng)格單元數(shù)約為320000。

表2 計(jì)算域邊界條件

結(jié)構(gòu)分析子系統(tǒng)采用有限元仿真計(jì)算模塊計(jì)算應(yīng)力特性和模態(tài)特性，設(shè)置循環(huán)對(duì)稱邊界條件，圍帶接觸面采用摩擦接觸，摩擦因數(shù)為0.2，接觸面剛度為1N/mm3，滲透限制為0.1mm，輪槽底部,,三個(gè)方向位移約束，轉(zhuǎn)速設(shè)置和氣動(dòng)分析子系統(tǒng)保持一致，為3600r/min，模態(tài)分析過程忽略結(jié)構(gòu)阻尼的影響，分析內(nèi)容為第一階的所有節(jié)徑振動(dòng)。結(jié)構(gòu)場(chǎng)計(jì)算域網(wǎng)格通過映射技術(shù)生成的六面體網(wǎng)格，以一階M0頻率為目標(biāo)，經(jīng)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，單只葉片網(wǎng)格單元數(shù)確定為8000。

1.2 計(jì)算方法

由圖1可知，基于已有的流場(chǎng)和結(jié)構(gòu)場(chǎng)模型，可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)雙向流固耦合和單向流固耦合分析。雙向流固耦合分析通過在子系統(tǒng)之間傳遞網(wǎng)格位移和表面壓力，實(shí)現(xiàn)流體域和固體域的雙向耦合[10]，這種方法所需要的假設(shè)條件少，更接近于實(shí)際過程，能夠獲取流場(chǎng)和結(jié)構(gòu)場(chǎng)相互作用的時(shí)域結(jié)果。但對(duì)于存在節(jié)徑振動(dòng)的整圈圍帶連接的葉片組，雙向流固耦合方法需要建立更多的流道模型才能獲得實(shí)際的節(jié)徑振動(dòng)，這就會(huì)大大增加計(jì)算量[8,13]。相比而言，采用單向流固耦合方法可以顯著減少計(jì)算量，縮短計(jì)算周期，并能夠采用循環(huán)對(duì)稱的邊界條件獲得整圈節(jié)徑振動(dòng)結(jié)果。但需要注意的是，采用單向流固耦合方法存在假設(shè)條件，如假定葉片做恒幅周期振動(dòng)，振動(dòng)頻率等于某一節(jié)徑頻率，這使得氣彈性作用的計(jì)算結(jié)果與真實(shí)情況存在一定偏差，對(duì)顫振特性的預(yù)測(cè)將更加保守[14]。表3匯總了2種耦合方法的對(duì)比結(jié)果。考慮到本文研究的模態(tài)振動(dòng)為整圈帶有圍帶的葉片組振動(dòng)，雙向流固耦合方法對(duì)計(jì)算機(jī)的配置要求將會(huì)非常高，并且所耗費(fèi)的時(shí)間和內(nèi)存也是難以接受的，因此，本文出于工程應(yīng)用的考慮，選用單向流固耦合方法，基于流場(chǎng)壓力的計(jì)算結(jié)果，分析結(jié)構(gòu)場(chǎng)模態(tài)振動(dòng)特性，而后將結(jié)構(gòu)場(chǎng)分析的各個(gè)節(jié)徑振動(dòng)下的振動(dòng)位移導(dǎo)回流場(chǎng)分析子系統(tǒng)中，借助CFD軟件中顫振計(jì)算模塊，分析流場(chǎng)中脈動(dòng)壓力作用下的周期功，最終獲得當(dāng)前工況和模態(tài)振動(dòng)條件下的氣動(dòng)阻尼系數(shù)，以此來(lái)評(píng)估葉片的顫振特性。

圖2 計(jì)算域網(wǎng)格劃分

表3 2種評(píng)估顫振的流固耦合方法對(duì)比

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 流場(chǎng)氣動(dòng)特性

圖3為2個(gè)研究工況條件下流道典型截面的壓力包絡(luò)線，其反映出葉片表面壓力沿流動(dòng)方向的變化。典型截面包括50%葉高處(span=0.5)和85%葉高處(span=0.85)。由圖3(a)、(b)可以看出，在100%流量工況下，壓力面和吸力面的壓力沿流動(dòng)方向逐漸降低，入口附近吸力面的壓力降低更為明顯，壓力面壓力能夠保持恒定。葉片出口附近，壓力面壓力開始迅速下降，在出口圓弧處，2個(gè)面的壓力逐漸趨于相等，但存在一定的波動(dòng)，這表明當(dāng)前工況下汽流在出口處并不能很好地過渡，壓力的波動(dòng)可能會(huì)導(dǎo)致汽流尾跡，并造成端部損失。對(duì)比不同特征截面壓力包絡(luò)線的結(jié)果可以看出，100%流量工況條件下，吸力面和壓力面所組成的壓力包絡(luò)線的面積沿葉高方向逐漸增大，這表明從葉根到葉尖，葉片的負(fù)荷逐漸增大，做功能力逐漸增強(qiáng)[10]。

圖3 流道典型截面壓力包絡(luò)線圖

此外，由圖3(c)、(d)可以看出，在40%流量工況下，壓力面壓力較低，而吸力面的壓力變化非常劇烈，這是因?yàn)樾×髁抗r會(huì)在入口處造成較大的負(fù)攻角，汽流沖擊葉片吸力面劇烈，而壓力面會(huì)造成漩渦甚至脫流區(qū)。40%流量工況下，2個(gè)截面壓力包絡(luò)線的面積相差不明顯，均存在負(fù)功區(qū)域，并且面積明顯小于100%工況下的包絡(luò)線面積，這說明蒸汽整體做功的能力嚴(yán)重降低，級(jí)效率差。

圖4為流道典型截面流線圖，其可以反映出流場(chǎng)沿軸向和周向的變化。由圖4(a)、(b)可以看出，100%流量工況下，流道內(nèi)的流線較為規(guī)整，不存在明顯的渦流，速度變化與圖3的壓力變化相對(duì)應(yīng)。而由圖4(c)、(d)可以看出，40%流量工況下，入口處汽流存在較大的負(fù)攻角，汽流沖擊葉片吸力面，導(dǎo)致壓力面形成徑向渦流，吸力面形成高速區(qū)，這些現(xiàn)象與壓力包絡(luò)線的變化相符合。

圖4 流道典型截面流線圖

圖5為流道子午面流線，其可以反映出流場(chǎng)沿軸向和徑向的變化。由圖5可知，100%流量工況下，流場(chǎng)整體分布均勻，沿流動(dòng)方向速度逐漸增大。而40%流量工況下，流道出口出現(xiàn)汽流倒流現(xiàn)象，流場(chǎng)在葉根附近也相應(yīng)出現(xiàn)渦流，并且渦流的方向與典型截面所看到的方向有所不同。典型截面所看到的渦流中心線沿徑向(徑向渦流)，這是由進(jìn)口負(fù)攻角所導(dǎo)致的，而子午面所看到的渦流中心線沿周向(周向渦流)，通常是由出口汽流倒流所致，在小流量、高背壓、鼓風(fēng)等工況下容易出現(xiàn)。由于小流量工況下往往都導(dǎo)致較大的負(fù)攻角，因此流道內(nèi)周向渦流的出現(xiàn)往往都會(huì)伴隨著徑向渦流。

圖5 流道子午面流線圖

2.2 結(jié)構(gòu)場(chǎng)振動(dòng)特性

葉片振動(dòng)特性的研究是葉片顫振特性研究的前提，只有獲得葉片振動(dòng)頻率和振型，才能夠進(jìn)一步計(jì)算葉片表面脈動(dòng)壓力對(duì)葉片所做的周期功，以及流固耦合分析系統(tǒng)在當(dāng)前工況和模態(tài)振動(dòng)條件下的氣動(dòng)阻尼，從而實(shí)現(xiàn)葉片顫振分析。葉片表面壓力分布是葉片振動(dòng)特性分析的一個(gè)重要邊界條件，本文基于單向流固耦合方法，將流場(chǎng)分析子系統(tǒng)中葉片表面的壓力分布結(jié)果通過耦合面直接導(dǎo)入到葉片結(jié)構(gòu)分析子系統(tǒng)中。流場(chǎng)和結(jié)構(gòu)場(chǎng)耦合面之間壓力映射的結(jié)果見表4。可以看出，壓力數(shù)據(jù)的傳遞效率達(dá)到了100%，證實(shí)了1.1節(jié)中模型建立方法的有效性和數(shù)據(jù)傳遞的準(zhǔn)確性。

表4 流固耦合面壓力映射結(jié)果

對(duì)于圍帶連接的整圈葉片，葉片振型為輪盤的節(jié)徑振動(dòng)。當(dāng)前研究的動(dòng)葉一共有68只，因此整圈葉片每一階將存在34個(gè)前行波節(jié)徑振動(dòng)和34個(gè)后行波節(jié)徑振動(dòng)。其中，前行波由正節(jié)徑表示(ND>0)，后行波由負(fù)節(jié)徑(ND<0)表示?？紤]到葉片顫振主要發(fā)生在低頻區(qū)域，通常低階模態(tài)振動(dòng)的影響較大[10,15]，為此，本文的模態(tài)分析過程包括2個(gè)工況下整圈葉片第一階的所有節(jié)徑振動(dòng)頻率和振型，并隨機(jī)提取了一階5個(gè)節(jié)徑振動(dòng)下的振動(dòng)頻率和振型，用于進(jìn)一步計(jì)算葉片氣動(dòng)阻尼。表5列舉了所提取的5個(gè)節(jié)徑振動(dòng)的靜頻和在離心力/汽流力作用下的動(dòng)頻，表6為這5個(gè)節(jié)徑振動(dòng)對(duì)應(yīng)的振型。通過對(duì)比100%流量和40%流量工況的振型圖可以看出，2種工況下各個(gè)節(jié)徑振動(dòng)的振型一致，但振動(dòng)幅值存在差別。100%流量工況下的振動(dòng)幅值大于40%流量工況下的幅值，這主要是因?yàn)楫?dāng)前所做的模態(tài)分析是基于穩(wěn)態(tài)汽流力的定常分析結(jié)果，小流量工況下流道內(nèi)的汽流發(fā)分布不均，局部渦流會(huì)導(dǎo)致葉片表面壓力降低，因而葉片振動(dòng)能量較低，振動(dòng)幅值較小。但這并不能說明小流量工況下葉片振動(dòng)較弱，小流量工況下的渦流會(huì)導(dǎo)致葉片表面存在脈動(dòng)壓力，當(dāng)脈動(dòng)壓力的頻率與葉片振動(dòng)固有頻率一致時(shí)，反而會(huì)造成葉片共振，并且小流量工況下流場(chǎng)與葉片之間的氣彈性耦合更加復(fù)雜，往往還會(huì)強(qiáng)化葉片的自激振動(dòng)，能量逐漸積累，振幅越來(lái)越大，從而發(fā)生顫振。為此，本將采用非定常分析方法進(jìn)一步對(duì)比研究40%流量工況下葉片的顫振特性。

表5 葉片一階模態(tài)振動(dòng)頻率

表6 葉片一階模態(tài)振動(dòng)振型

2.3 葉片顫振特性

在不同流量工況下模態(tài)振動(dòng)的節(jié)徑、頻率、振型以及工況邊界條件，可以通過CFD顫振分析模塊計(jì)算葉片在當(dāng)前流量工況下的周期功和響應(yīng)的氣動(dòng)阻尼系數(shù)。圖6為40%流量工況各個(gè)節(jié)徑振動(dòng)下的氣動(dòng)阻尼系數(shù)、阻尼系數(shù)擬合線和部分計(jì)算點(diǎn)的周期功。周期功的計(jì)算值為一個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)非定常平均積累功?；跉鈩?dòng)阻尼的正負(fù)，本文將葉片某階振動(dòng)下顫振發(fā)生的概率定義為氣動(dòng)阻尼為正的節(jié)徑數(shù)占該階振動(dòng)總節(jié)徑數(shù)的百分比。當(dāng)前葉片一階振動(dòng)最小氣動(dòng)阻尼系數(shù)為ND=?17，即葉間相位角為?90°，這與文獻(xiàn)[9]基于時(shí)域分析方法得到的顫振預(yù)測(cè)結(jié)果一致。該工況下氣動(dòng)阻尼系數(shù)擬合線表達(dá)式為

式中daero為系統(tǒng)氣動(dòng)阻尼系數(shù)。

擬合線的擬合系數(shù)為2=0.999。由當(dāng)前計(jì)算結(jié)果可以看出，若不考慮結(jié)構(gòu)阻尼，在40%流量工況下，約90%節(jié)徑振動(dòng)的氣動(dòng)阻尼系數(shù)為負(fù)數(shù)，表明葉片在這些節(jié)徑振動(dòng)下會(huì)從汽流中獲取能量，即汽流的非定常氣動(dòng)力對(duì)葉片做正功，如此下去，葉片的振動(dòng)會(huì)持續(xù)加劇，進(jìn)而激發(fā)顫振。這類顫振主要是由動(dòng)葉入口較大的負(fù)攻角而引發(fā)的失速顫振。在小流量工況下，汽流在入口處以較大負(fù)攻角流向動(dòng)葉，在動(dòng)葉壓力面形成徑向渦流和周向渦流，構(gòu)成失速脫流區(qū)，引起葉片表面氣動(dòng)力的改變，造成葉片彈性變形，進(jìn)而又再次影響汽流攻角和繞流狀態(tài)，形成不穩(wěn)定流場(chǎng)與葉片彈性變形之間的氣動(dòng)耦合，當(dāng)耦合作用使流場(chǎng)的能量不斷地輸入葉片系統(tǒng)中時(shí)，就會(huì)引發(fā)葉片顫振，導(dǎo)致葉片振幅顯著增大[16]。對(duì)于汽輪機(jī)末幾級(jí)長(zhǎng)葉片，結(jié)構(gòu)阻尼系數(shù)通常為0.01～0.02。因此，若考慮結(jié)構(gòu)阻尼，系統(tǒng)總阻尼系數(shù)會(huì)有所增加，但即便如此，對(duì)于本文研究的次末級(jí)葉片，當(dāng)處于40%流量工況下時(shí)，一階振動(dòng)誘導(dǎo)顫振發(fā)生的概率依然高達(dá)80%，因而在非設(shè)計(jì)工況下，該類葉片需要慎重使用。

3 結(jié)論

基于葉片氣動(dòng)和結(jié)構(gòu)振動(dòng)仿真計(jì)算平臺(tái)，建立了汽輪機(jī)長(zhǎng)葉片流固耦合的三維計(jì)算模型，分析了葉片流道內(nèi)流場(chǎng)的氣動(dòng)特性和整圈葉片結(jié)構(gòu)場(chǎng)的振動(dòng)特性，并進(jìn)一步結(jié)合能量法準(zhǔn)則，提出了汽輪機(jī)長(zhǎng)葉片顫振預(yù)測(cè)和評(píng)估的方法。主要結(jié)論如下：

1）流量變化會(huì)對(duì)汽輪機(jī)流道的氣動(dòng)特性產(chǎn)生顯著的影響。小流量工況下會(huì)同時(shí)存在徑向渦流和周向渦流，其形成分別與入口負(fù)攻角和出口回流有關(guān)。

2）流量變化會(huì)對(duì)汽輪機(jī)長(zhǎng)葉片模態(tài)振動(dòng)特性產(chǎn)生影響。不同工況下葉片各個(gè)節(jié)徑振動(dòng)的振型一致，但振動(dòng)頻率和幅值存在差別。小流量下流道內(nèi)存在局部渦流，導(dǎo)致葉片表面壓力降低，葉片振動(dòng)能量較低，振動(dòng)幅值較小。

3）流量工況和葉片節(jié)徑振動(dòng)形式對(duì)葉片顫振特性影響很大。對(duì)于所研究的次末級(jí)葉片，當(dāng)處于40%流量工況時(shí)，一階各節(jié)徑振動(dòng)誘導(dǎo)顫振發(fā)生的概率為80%～90%，因此在小流量工況下需要慎重使用該類葉片。

4）基于單向流固耦合方法，將結(jié)構(gòu)場(chǎng)模態(tài)振動(dòng)特性和流場(chǎng)氣動(dòng)特性相結(jié)合，能夠有效且相對(duì)快速地分析流場(chǎng)中脈動(dòng)壓力作用下的周期功，獲得葉片模態(tài)振動(dòng)條件下的氣動(dòng)阻尼系數(shù)，實(shí)現(xiàn)葉片顫振特性的評(píng)估。

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Flutter Prediction Method for Long Blade of Steam Turbine

LIU Changchun, GUAN Chun, GUO Kuijun, LI Yufeng, MA Yiliang

(Harbin Turbine Company Limited, Harbin 150046, Heilongjiang Province, China)

A three-dimensional fluid-solid coupling calculation model of long blade of steam turbine was established based on the aerodynamic and structural vibration simulation platform. Taking the second last stage blade of a foreign 60Hz steam turbine unit as an example, the aerodynamic characteristics of the flow field in the single flow channel and the vibration characteristics of the entire blade structure field were analyzed. Combined with the energy method criterion, a method for predicting and evaluating the flutter of the steam turbine long blade was further proposed. The results show that the unit flow rate and the vibration form of blade pitch diameter have a great influence on the blade flutter characteristics. For the current 2nd last stage blade, the probability of blade flutter induced by pressure fluctuation in the flow field is between 80% and 90% under 40% flow condition. Therefore, this kind of blade should be carefully used under the low flow condition. Based on the unidirectional liquid-solid coupling method, the periodic work under fluctuating pressure in flow field can be analyzed effectively and relatively quickly, and the aerodynamic damping coefficient under modal vibration of blade can be obtained. Thus, the flutter characteristics of blade can be predicted.

steam turbine; liquid-solid coupling; aerodynamic characteristics; vibration characteristics; flutter prediction

2021-01-19。

10.12096/j.2096-4528.pgt.21001

TK 05

(責(zé)任編輯 尚彩娟)