汽轮机叶轮振动分析

汽轮机叶轮振动分析

摘要汽轮机是机组的重要组成部分，汽轮机的振动对机组的稳定安全的运行有很大的影响。本文选择I—DEAS软件对叶轮振动进行建模和网格划分，对不同阶叶轮的振动频率进行分析，研究汽轮机叶轮的振动特性，为汽轮机叶轮的设计和安全运行提供参考。

关键词汽轮机；叶轮；振动；频率

汽轮机是机组的重要组成部分，叶轮在高速的旋转之下会产生振动，过大的振动会带来大的噪音，也会影响叶轮和叶片的使用寿命。因此，对汽轮机的叶轮振动特性进行分析，不仅能够减少汽轮机在运行过程中的损耗，对整个机组的安全稳定运行也具有非常重要的意义。汽轮机的叶轮在高速旋转之下会产生离心力，加上流场不均匀，很容易使叶片的升力发生变化，叶轮受到影响而发生振动。在叶轮本身固有的频率和激振力的频率一样或者成整数倍的情况下，就会产生共振现象，影响叶轮的正常运转。

1 叶轮计算模型

1.1 叶轮计算模型的建立

本文研究的叶轮计算模型的建模，选择采用I-DEAS软件进行模型的建立和功能计算。汽轮机的叶轮建模主要分为两个部分，一个是轮盘模型的建立，另一个是叶片模型的建立。对于轮盘部分的模型绘制，通过旋转命令即可建档的绘制出来。相比之下，叶片是呈曲面的，空间曲面比较复杂，所以叶片的建模采用的是三维实体扫描仪，配合使用建模软件进行模型的建立。根据非均匀有理样条函数B-rep进行插值，将点阵进行连接从而形成一个曲面，然后将曲面在建模软件I-DEAS中导入进去缝合，完成缝合后的曲面能够生成一个边界为曲面的叶片实体。在这个实体基础上输入阵列命令，在经过布尔运算最终生成一个汽轮机叶轮的模型。本文研究分析的汽轮机叶轮模型如图1（a）所示：

图1叶轮计算模型

1.2 模型的网格划分

本文研究分析的叶轮的轮盘和叶片铸造材料为铝合金，设定密度为2880kg·m-3，叶轮轮盘的弹性模量是67680N·mm-2。对模型进行网格划分采用的软件为I-DEAS软件，设定节点的数量是7590，单元数是28317，在0至980Hz 的范围内对模型的模态频率进行计算，再对0至450Hz的范围内对动态频率进行计算，需要注意的是在进行动频的计算的过程中，要对叶轮内孔和转轴之间的过盈量加以充分的考虑。

2 叶轮的振型和固有频率的分析

为了能够更加方便清晰的对叶轮的振型进行分析，我们采取了分析振动类型的方法。如下图2所示：

图 2 模型各阶模态频率和振型的关系图

我们对上图的结果进行分析，叶轮的振动的类型可以总结起来可以分为五种类型：第一种是以轴向A0为振动方向的振动类型；第二种是以切向A0为振动方向的振动类型；第三种是以扭转方式为主的振动类型；第四种是以切向A1为主的振动类型；第五种是伞形的振动类型。叶轮在高速旋转的过程中会产生离心力，在各个阶段转速不同，各阶的固有频率也不相同，叶轮的转速增加相应的其固有频率也增加，固有频率增加的幅度是和转速成正比例关系的。叶轮在不同转速情况下各阶的固有频率参见下表1所示：

n/（r·min-1）0 1.0×105 1.2×105 1.5×105

第一阶 5520 5578 5603 5620

第二阶 16053 16334 16421 16589

第三阶 17650 17732 17891 17902

第四阶 17910 18124 18156 18172

第五阶 20985 21143 21329 21586

表 1 叶轮不同转速下的固有频率（单位Hz）

3 结论

本文对叶轮振动的研究，通过的有限元的方法，对叶轮进行建模和模型的网格划分，分析其振型，对固有频率进行计算和检测得出该叶片具有良好的刚度，运行安全性和稳定性良好。针对叶轮在共振时所带来的一系列问题，可以通过改变叶轮的结构，同时避免在叶轮共振频率的范围内产生激振频率，可有效的解决共振问题。

参考文献

[1]张锦，刘晓平.叶轮机振动模态分析理论及数值方法[M].北京：国防工业出版社，2010.

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