一种汽轮机整圈自锁叶片动频计算方法与流程

本发明涉及工业汽轮机动叶片有限元计算方法，特别是一种能够用于大型pta、大型乙烯、大型空分和大型电站给水泵等国家重要高端装备制造领域用工业汽轮机自锁结构长扭叶片动频计算的新方法。

背景技术：

汽轮机是将水蒸汽的热能转化为机械能的动力设备。工业汽轮机是主要用于拖动给水泵、压缩机等工业领域的驱动设备，其特点为变工况复杂、转速变化范围大等。随着科学技术的发展，工业汽轮机朝着大容量大功率方向发展，而末级叶片制约着单机功率的扩大。同时，大叶高、高转速对叶片的安全性提出了严峻的挑战，叶片强度与振动特性直接影响到汽轮机运行可靠性。

现国内外末级长叶片普遍采用叶片顶端自带围带，中间带有凸台的整圈自锁叶片。结构见图1-3，包括叶身1、叶根2、围带3和凸台4。叶片组在安装状态时相邻围带之间、凸台之间留有一定的初始间隙，当汽轮机运行时依靠离心力反扭矩使相邻围带与凸台接触，转速高于一定数值后锁紧形成整圈自锁结构。这种叶片结构具有很高的阻尼，动应力小，增加了系统刚度，改变了调频阶数，同时叶顶围带也降低了漏汽损失，所以它代表了目前长叶片的发展方向。针对这种叶片的动频计算方法，一般采用局部节点耦合方法，根据强度计算后的接触面积和接触压力来确定耦合节点的部位和范围，其缺点是耦合后就将部分节点锁死，因此体现不了接触刚度大小和相对滑移的阻尼特性。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有方法的不足，提供一种能体现接触刚度和相对滑移的阻尼特性的汽轮机整圈自锁叶片动频计算方法。

本发明的技术解决方案步骤如下：

(1)计算接触叶片的静强度，得到叶片顶部的扭转角及相邻叶片围带之间的接触压力。

(2)在接触压力大于30mpa区域上的节点之间建立弹簧单元matrix27，用于代替接触单元，共n个弹簧单元，且要求n≥30。

令弹簧单元的法向刚度kn相同，切向刚度kt也相同，令v为叶片材料的泊松比。调整kt的大小，再次进行接触叶片的静强度计算，使叶片的扭转角与步骤(1)接触计算得到的扭转角结果一致。

(4)根据得到的kn和kt的值来计算整圈自锁叶片的动频。

本发明的积极意义是，根据计算叶片在离心力作用下的叶片扭转角调整弹簧单元(matrix27)的刚度，使计算结果更精确，与普通的节点耦合代替接触来求解强度和整圈自锁叶片的模态相比，更贴近工程实际。这种方法有效探索了整圈自锁叶片的振动机理，利用kn近似随kt变化的规律，提出了一种实用的动频有限元计算方法。用弹簧单元来模拟叶片间的非线性接触特性，计算方法使用方便，简单有效。同时该方法已经经过试验验证，得到的动频误差在4％以内，并成功应用于某大型pta装置用工业汽轮机末级叶片的动频预测中，实际安全运行表明了该方法的有效性，目前该机组运行安全可靠，取得了良好的经济效益。

附图说明

图1为叶片结构示意图。

图2为叶片组围带之间的相互关系。

图3为叶片组凸台之间的相互关系。

图4为计算中围带处添加的弹簧单元示意图。

图5为静强度计算结果的围带接触压力。

图中代号含义：1、叶身；2、叶根；3、围带；4、凸台；5、用于计算叶顶扭转角的弦；6、弹簧单元matrix27。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

实施例1。

如图1-3所示，叶片围带和凸台间有一定的间隙，叶片在离心力的作用下会产生一个扭转角，此角度的产生会使原本有间隙的凸台和围带接触上，随着离心力的不同，接触情况也不同。

本实施例描述的汽轮机整圈自锁叶片动频计算方法，包括以下步骤：

(1)计算接触的叶片的静强度，得到叶片顶部的扭转角以及相邻叶片围带之间的接触压力，其接触压力如图5所示。

(2)在接触压力大于30mpa区域，即图5颜色最深的区域，上的节点之间建立弹簧单元matrix27，共48个单元，如图4所示。

(3)令上述弹簧单元的法向刚度kn相同，切向刚度kt也相同，令v为叶片材料的泊松比。调整kt的大小，再次进行静强度计算，使叶片的扭转角与步骤(1)接触计算结果一致。

根据得到的kn和kt的值来计算整圈自锁叶片的动频。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明。所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：

技术总结
本发明提供一种工业汽轮机整圈自锁叶片动频计算方法,是一种有限元计算方法，首先计算考虑接触的叶片的静强度，得到叶片顶部的扭转角及相邻叶片围带之间的接触压力，在接触压力大于30MPa区域上的节点之间建立弹簧单元(MATRIX27)，用于代替接触单元，令这些单元的法向刚度kn相同，切向刚度kt也相同，并具有一定的关系，其关系与材料的属性有关，调整kt的大小，进行静强度计算，使叶片扭转角与接触计算结果一致，最后根据得到的kn和kt的值来计算整圈自锁叶片的动频，该方法已应用于某大型PTA装置用工业汽轮机末级叶片的动频计算中，经试验验证，该方法计算得到的动频误差在4％以内。

技术研发人员：隋永枫;朱子奇;孔建强;李祎曼;余沛坰;闫志勇;张发生;蓝吉兵;辛小鹏;王宏泽
受保护的技术使用者：杭州汽轮机股份有限公司
技术研发日：2018.10.12
技术公布日：2019.03.01