專利名稱：：汽輪機旋轉(zhuǎn)隔板后動葉片的失效分析方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及一種汽輪機動葉片的失效分析方法，尤其涉及一種汽輪機旋轉(zhuǎn)隔板后動葉片的失效分析方法。
背景技術：
：用于熱電聯(lián)產(chǎn)的抽汽式汽輪機是汽輪機主要類型之一，應用于熱電廠和過程工業(yè)。為了調(diào)節(jié)汽輪機的抽汽量，通常在機組抽汽口后采用旋轉(zhuǎn)隔板(回轉(zhuǎn)隔板)結(jié)構(gòu)，它由回轉(zhuǎn)輪和隔板所組成。不同機組以及不同公司采用的旋轉(zhuǎn)隔板具體結(jié)構(gòu)可能會有所差別。動葉片是汽輪機實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的重要部件，其事故占了汽輪機事故的一半，而旋轉(zhuǎn)隔板后的動葉片又是最易發(fā)生事故的一級葉片。因此，研究該級動葉片的失效原因和分析方法，特別是將事故消滅在設計階段，對于減少該級葉片的事故、延長其服役壽命，提高旋轉(zhuǎn)隔板后動葉片的可利用率和可靠性具有重要意義。旋轉(zhuǎn)隔板后動葉片的破壞主要源于過大振動產(chǎn)生的高周疲勞?？刂迫~片過大的振動的主要方法之一是避開葉片的共振。葉片的共振主要發(fā)生在某階固有頻率等于或接近某階危險的激振頻率時。以往的旋轉(zhuǎn)隔板后動葉在結(jié)構(gòu)設計時，其分析方法主要考慮常規(guī)的噴嘴尾跡產(chǎn)生的以當量噴嘴數(shù)和轉(zhuǎn)速乘積為基頻的高頻激振力，以及結(jié)構(gòu)因素產(chǎn)生的以轉(zhuǎn)速為基頻的低頻激振力兩大因素對動葉片失效的影響，忽略了旋轉(zhuǎn)隔板產(chǎn)生的特殊氣流激振力頻率的影響，其缺點是造成了旋轉(zhuǎn)隔板后動葉片產(chǎn)生較高的事故率、使用和維修成本高。
發(fā)明內(nèi)容對于己有動葉片失效分析方法所存在的上述缺陷，本發(fā)明提出了一種旋轉(zhuǎn)隔板后動葉片的失效分析方法，指出了由于汽輪機旋轉(zhuǎn)隔板結(jié)構(gòu)的特點使其后動葉片受到一種有別于常規(guī)激振力的旋轉(zhuǎn)隔板氣流激振力作用，由于該激振力幅值大，頻率又介于低頻激振力和高頻激振力之間，是導致動葉片失效的重要原因之一，在汽輪機設計和事故分析中通過調(diào)整葉片的固有頻率，或者調(diào)整旋轉(zhuǎn)隔板結(jié)構(gòu)可改變這一特殊的旋轉(zhuǎn)隔板氣流激振力，以避免葉片和該旋轉(zhuǎn)隔板氣流激振力發(fā)生共振，確保葉片運行的安全可靠性。為達到以上目的，本發(fā)明是采取如下技術方案予以實現(xiàn)的一種汽輪機旋轉(zhuǎn)隔板后動葉片的失效分析方法，其特征在于，包括下述步驟步驟一對抽汽式汽輪機旋轉(zhuǎn)隔板進行結(jié)構(gòu)分析，通常旋轉(zhuǎn)隔板的回轉(zhuǎn)輪共有3組閥門，每組閥門對應一定數(shù)量的通流孔，各組閥門對應的通流孔間隔布置；隔板上的窗口又對應相同數(shù)目的若干只噴嘴，當回轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)時，其上的某個通流孔和隔板上窗口貫通時，隔板在該部分將有氣流流過；當3組閥門全開時，汽輪機沒有抽汽，噴嘴進汽弧段充滿整個汽輪機圓周，這時不會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)隔板氣流激振力；當僅開第I組閥門、或僅開第I組和第II組閥門時，噴嘴進汽弧段沒有充滿汽輪機整個圓周，只有一部分弧段進汽；這時動葉片旋轉(zhuǎn)經(jīng)過第I組閥門、或第I組和第II組閥門對應的通流孔和噴嘴弧段時，將受到氣流力作用，該氣流力就會對動葉片產(chǎn)生一種有別于常規(guī)激振力的旋轉(zhuǎn)隔板激振力。步驟二對旋轉(zhuǎn)隔板激振力的頻率進行計算，設葉片隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的速度(即轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速)為，即葉片轉(zhuǎn)一圈所需時間為乂，則葉片通過進汽弧段3(單位弧度)所需時間為l.，，在進汽弧段^，設有iV個回轉(zhuǎn)輪的通流孔和隔板的窗口貫通，即葉片通過進汽弧段3時共受到iV次激振，該激振力是周期的，但不是一個簡單的正弦波或余弦波，而是一個多個諧波的疊加，可計算出該激振力的基頻為從上式可以看到，旋轉(zhuǎn)隔板氣流激振力的基頻,和回轉(zhuǎn)輪閥門開啟的當量通流孔數(shù)以及轉(zhuǎn)速有關，因此，該旋轉(zhuǎn)隔板氣流激振力的頻率為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>式中K=l,2,3,…,6;可見，旋轉(zhuǎn)隔板氣流激振力是一種不同于動葉片常規(guī)受到的當量噴嘴尾跡產(chǎn)生的以噴嘴數(shù)和轉(zhuǎn)速乘積為基頻的高頻激振力，以及結(jié)構(gòu)因素產(chǎn)生的以轉(zhuǎn)速為基頻的低頻激振力，是一種新形式的激振力。根據(jù)步驟一對抽汽式汽輪機旋轉(zhuǎn)隔板結(jié)構(gòu)分析，本發(fā)明還包括對所述旋轉(zhuǎn)隔板激振力的幅值進行計算的方法，由于動葉片隨轉(zhuǎn)子周期性地旋轉(zhuǎn)，因此，葉片所受到的旋轉(zhuǎn)隔板氣流激振力具有周期性，旋轉(zhuǎn)隔板氣流激振力的幅值包括周向分力的幅值和軸向分力的幅值；其周向分力的幅值可用下式計算<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>式中Pn為周向氣流力(N);G為級的氣體質(zhì)量流量(kg);clu、c2u分別為動葉片進口、出口氣流周向分速度(m/s);ε為部分進汽度；Z2為葉輪上動葉片數(shù)目；Nu為級的輪周功率(kW);u為葉片的平均圓周速度(m/s)。旋轉(zhuǎn)隔板氣流激振力的軸向分力的幅值可由軸向分量氣體動量變化和葉片前后的靜壓差確定，由此得到對每個葉片的軸向作用力為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>式中c,。、分別葉片進口和出口氣流的軸向分速度(^);A、^分別為葉片前后氣體靜壓力(Pa);f為葉片節(jié)距(m);/為葉型高度(m)。該激振力的幅值等于作用在葉片上的全部氣流力，幅值大，而且頻率介于低頻和高頻激振力之間，葉片一旦和其發(fā)生共振，則很快就會疲勞失效，本發(fā)明提供的方法與已有葉片失效分析方法相比，其優(yōu)點在于指出了由于汽輪機旋轉(zhuǎn)隔板結(jié)構(gòu)的特點使其后動葉片在工作時除了受到低頻和高頻激振力外，還會受到一種有別于常規(guī)激振力的旋轉(zhuǎn)隔板氣流激振力的作用，并以此提出了該特殊氣流激振力頻率及幅值的計算方法，從而將有助于解決旋轉(zhuǎn)隔板后動葉的設計和事故分析中的關鍵問題，對避免葉片和該激振力發(fā)生共振，提高抽汽式汽輪機中間調(diào)節(jié)級動葉片的安全可靠性，確保葉片的安全運行具有重要意義。圖1是一種旋轉(zhuǎn)隔板和動葉結(jié)構(gòu)周向展開示意圖；圖中的標號分別表示1、回轉(zhuǎn)輪，2、回轉(zhuǎn)輪上的通流孔，3、隔板上窗口，4、隔板上噴嘴，5、動葉片。圖2為當回轉(zhuǎn)輪第1組閥門開啟，第II組和第III組閥門關閉時隔板氣流幅值沿汽輪機周向展開示意圖；圖中縱坐標表示氣流力幅值；橫坐標表示結(jié)構(gòu)沿周向展開，用弧度表示；陰影部分表示隔板有氣流流過的部分。具體實施方式以下結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的詳細說明。.參見圖1至圖2，以某型號熱電聯(lián)產(chǎn)汽輪機的旋轉(zhuǎn)隔板后的動葉片為例作如下說明某機組旋轉(zhuǎn)隔板的回轉(zhuǎn)輪共有3組閥門，第I組閥門有8個通流孔，第II組、第III組閥門分別有7個通流孔，各組閥門對應的通流孔間隔布置，其具體布置分為:s和冗兩段，其中:s為均勻布置段，各組閥門對應通流孔布置為I，II，III;I，II，III;I，n，III;I，11,111;I,II，III:I，11,111。其中K為非均勻布置段，各組閥門對應通流孔布置為I，m;I，II;如圖1示。隔板上有均勻布置的窗口，每個窗口對應3只噴嘴。當3組閥門全開時，沒有抽汽，噴嘴進汽弧段充滿整個圓周，沒有產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)隔板氣流激振力。當?shù)贗組閥門打開，第n組和第m組閥門關閉時，這時抽汽量最大，噴嘴進汽弧段沒有充滿整個圓周，只有一部分弧段進汽,見示意圖2，圖中陰影部分表示有氣流流過，其它部分則沒有氣流流過，此時，動葉片就會受到旋轉(zhuǎn)隔板氣流激振力作用。當動葉片旋轉(zhuǎn)經(jīng)過第i組閥門通流孔貫通的窗口和噴嘴弧段時，受到汽流力作用，而當葉片經(jīng)過第n組和第in組對應的孔和噴嘴弧段時汽流作用力降為零。正如技術方案所述該激振力的頻率是以回轉(zhuǎn)輪閥門開啟有關的當量通流孔數(shù)和轉(zhuǎn)速乘積為基頻的周期激振力。通流孔布置均勻段:^，其長度為^^^弧度，葉片隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的速度為50Hz，即葉片轉(zhuǎn)一圈所需時間為%qS，則葉片通過通流孔布置均勻進汽弧段^所需時間為^^5()3，在進汽弧段:s，有6個回轉(zhuǎn)輪的通流孔和隔板的窗口貫通，即葉片通過通流孔布置均勻進汽弧段:s時共受到6次激振。這樣，可以計算出該激振力的基頻為《+367Hz通流孔布置非均勻段冗，其長度為^^d弧度，葉片通過通流孔布置非均勻段進汽弧段冗所需時間為丄.丄，在進汽弧段記有2個回轉(zhuǎn)輪的通流孔和ll隔板的窗口貫通，即葉片通過通流孔布置均勻進汽弧段冗時共受到2次激勵。這樣，可以計算出該激振力的基頻為,2=11=550Hz通流孔布置均勻段產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)隔板氣流激振力的前6階頻率見表1，非均勻段產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)隔板氣流激振力的前6階激振頻率見表2。表1僅第1組閥門開始時通流孔布置均勻段產(chǎn)生的激振力頻率<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>表2僅第l組閥門7卩始時通流孔布置非均勻段產(chǎn)生的激振力頻率<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>旋轉(zhuǎn)隔板氣流激振力對每個葉片作用的周向分力的幅值可用下式計算:旋轉(zhuǎn)隔板氣流激振力對每個葉片作用的軸向分力的幅值可用下式計算尸。=丁(~—)+(凡—ft)"式中符號說明可參見
發(fā)明內(nèi)容部分。本發(fā)明指出了有旋轉(zhuǎn)隔板的動葉，受到一種旋轉(zhuǎn)隔板氣流激振力的作用。該激振力幅值大，頻率高，比傳統(tǒng)激振力更危險，葉片一旦和其發(fā)生共振，則很快就會疲勞失效，因此，在設計和事故分析中避免葉片和該新型激振力的共振，才能保證葉片運行的安全。本發(fā)明盡管是以某種圖1所示結(jié)構(gòu)形式的旋轉(zhuǎn)隔板后動葉片為例來說明的，很顯然，該方法可以容易地應用到其它結(jié)構(gòu)形式的旋轉(zhuǎn)隔板后動葉片失效分析和設計。權利要求1.一種汽輪機旋轉(zhuǎn)隔板后動葉片的失效分析方法，其特征在于，包括下述步驟步驟一對抽汽式汽輪機旋轉(zhuǎn)隔板進行結(jié)構(gòu)分析，通常旋轉(zhuǎn)隔板的回轉(zhuǎn)輪共有3組閥門，每組閥門對應一定數(shù)量的通流孔，各組閥門對應的通流孔間隔布置；隔板上的窗口又對應相同數(shù)目的若干只噴嘴，當回轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)時，其上的某個通流孔和隔板上窗口貫通時，隔板在該部分將有氣流流過；當3組閥門全開時，汽輪機沒有抽汽，噴嘴進汽弧段充滿整個汽輪機圓周，這時不會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)隔板氣流激振力；當僅開第I組閥門、或僅開第I組和第II組閥門時，噴嘴進汽弧段沒有充滿汽輪機整個圓周，只有一部分弧段進汽；這時動葉片旋轉(zhuǎn)經(jīng)過第I組閥門、或第I組和第II組閥門對應的通流孔和噴嘴弧段時，將受到氣流力作用，該氣流力就會對動葉片產(chǎn)生一種有別于常規(guī)激振力的旋轉(zhuǎn)隔板氣流激振力；步驟二對旋轉(zhuǎn)隔板氣流激振力的頻率進行計算，設葉片隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的速度為ns，葉片轉(zhuǎn)一圈所需時間為1/ns，則葉片通過進汽弧段id="icf0001"file="S2008100177152C00011.gif"wi="5"he="4"top="159"left="163"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="no"/>所需時間為id="icf0002"file="S2008100177152C00012.gif"wi="14"he="11"top="170"left="30"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="no"/>在進汽弧段id="icf0003"file="S2008100177152C00013.gif"wi="7"he="4"top="173"left="73"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="no"/>設有N個回轉(zhuǎn)輪的通流孔和隔板的窗口貫通，即葉片通過進汽弧段id="icf0004"file="S2008100177152C00014.gif"wi="5"he="4"top="187"left="65"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="no"/>時共受到N次激振，該激振力是周期的，但不是一個簡單的正弦波或余弦波，而是一個多個諧波的疊加，可計算出該激振力的基頻為id="icf0005"file="S2008100177152C00015.gif"wi="51"he="16"top="220"left="74"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="no"/>式中id="icf0006"file="S2008100177152C00016.gif"wi="10"he="9"top="243"left="35"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="no"/>被稱為回轉(zhuǎn)輪閥門開啟有關的當量通流孔數(shù)；從上式可以看到，旋轉(zhuǎn)隔板氣流激振力的基頻fe1和回轉(zhuǎn)輪閥門開啟的當量通流孔數(shù)以及轉(zhuǎn)速有關，因此，該旋轉(zhuǎn)隔板氣流激振力的頻率為id="icf0007"file="S2008100177152C00021.gif"wi="41"he="10"top="21"left="82"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="no"/>式中K＝1，2，3，…，6。2.如權利要求1所述的汽輪機旋轉(zhuǎn)隔板后動葉片的失效分析方法，其特征在于，根據(jù)步驟一對抽汽式汽輪機旋轉(zhuǎn)隔板結(jié)構(gòu)分析，本發(fā)明還包括對所述旋轉(zhuǎn)隔板氣流激振力的幅值進行計算的方法，旋轉(zhuǎn)隔板氣流激振力的幅值包括周向分力的幅值和軸向分力的幅值；其周向分力的幅值可用下式計算式中P為周向氣流力(N);G為級的氣體質(zhì)量流量(kg);cla、分別為動葉片進口、出口氣流周向分速度(m/s);e為部分進汽度；22為葉輪上動葉片數(shù)目；i^為級的輪周功率(kW);"為葉片的平均圓周速度(m/s);所述軸向分力的幅值可由軸向分量氣體動量變化和葉片前后的靜壓差確定，由此得到對每個葉片的軸向作用力為A=7(cia—c2。)+Oi-A)"式中c,。、、分別葉片進口和出口氣流的軸向分速度(^);A、^分別為葉片前后氣體靜壓力(Pa);,為葉片節(jié)距(m);/為葉型高度(m)。全文摘要本發(fā)明公開了一種汽輪機旋轉(zhuǎn)隔板后動葉片的失效分析方法，由于在熱電聯(lián)產(chǎn)的抽汽式汽輪機中為了調(diào)節(jié)抽汽量，一般在機組抽汽口后采用旋轉(zhuǎn)隔板結(jié)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)隔板后動葉片由于氣流擾動常發(fā)生疲勞破壞，給葉片設計和運行帶來困難。本發(fā)明指出了由于旋轉(zhuǎn)隔板結(jié)構(gòu)特點致使該動葉片除受到傳統(tǒng)的低、高頻激振力外，還會受到一種旋轉(zhuǎn)隔板氣流激振力的作用，并給出了該激振力的幅值和頻率的計算方法。該激振力比傳統(tǒng)激振力更危險，是葉片疲勞失效的重要原因之一，因此本發(fā)明的有益效果是為葉片設計、改型設計提供了可避免葉片因旋轉(zhuǎn)隔板氣流激振力共振失效的可靠依據(jù)。文檔編號G01M15/00GK101251410SQ20081001771公開日2008年8月27日申請日期2008年3月14日優(yōu)先權日2008年3月14日發(fā)明者孫云昌,徐朝蓉,徐自力,潘永岳,肖長江,胡哺松申請人:西安交通大學