葉片扭轉(zhuǎn)恢復(fù)計算方法研究及試驗驗證

李軍，安楊

（哈爾濱汽輪機廠有限責任公司，哈爾濱 150046）

0 引 言

目前開發(fā)設(shè)計的末級長葉片多為異形圍帶加凸臺拉筋的結(jié)構(gòu)，在裝配時易發(fā)生干涉，因此整圈葉片設(shè)計時采用間隙裝配。機組工作時，利用長葉片的扭轉(zhuǎn)恢復(fù)連接成整圈。裝配間隙過大不能夠形成整圈，反之則裝配困難，且會對葉片造成損壞。因此對這種間隙裝配葉片進行試驗研究，根據(jù)試驗結(jié)果來驗證我們的計算方法，為以后設(shè)計該結(jié)構(gòu)葉片積累經(jīng)驗。

1 葉片扭轉(zhuǎn)恢復(fù)計算方法研究

1.1 扭轉(zhuǎn)恢復(fù)角的計算

方法:葉片某截面在旋轉(zhuǎn)前進、出汽側(cè)圓弧中點為A、B，在工作狀態(tài)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)恢復(fù)，中點位也發(fā)生變化分別是A′、B′。構(gòu)造兩條弦，分別是AB、A′B′，兩弦之間夾角α 為扭轉(zhuǎn)恢復(fù)角。A 點坐標為（a1，a2），B 點坐標（b1，b2），A′點坐標為（a1′，a2′），B′點坐標（b1′，b2′）。

向量公式為：

1.2 葉片三維實體模型的建立

圖1 葉片截面圖

表1 模型的物理特性

取某葉片做計算模型，模型物理特性如表1所示,模型總共為6 組，分別為：單只自由葉片、與試驗相對應(yīng)的5 組圍帶和拉筋間隙不同的葉片。葉片UG 實體和ANSA 網(wǎng)格模型如圖2、圖3 所示。

在ABAQUS 中加載離心力，得到工作狀態(tài)下葉片的扭轉(zhuǎn)變形坐標，從而得到葉片扭轉(zhuǎn)前后相對位移，進而計算出扭轉(zhuǎn)恢復(fù)角的大小。

1.3 整圈葉片在不同間隙下扭轉(zhuǎn)恢復(fù)角有限元計算

圖2 模型整體UG 實體

圖3 模型網(wǎng)格

根據(jù)與試驗葉片的匹配性，選取三組和試驗相同間隙的整圈葉片見表2，整圈葉片計算用“循環(huán)對稱”算法，每一組葉片圍帶和拉筋的間隙一樣，轉(zhuǎn)速N=3000 r/min時，三組葉片扭轉(zhuǎn)恢復(fù)角隨相對葉高的變化曲線如圖4、圖5、圖6 所示，由于拉筋與拉筋、圍帶與圍帶相互間的約束，葉片扭轉(zhuǎn)恢復(fù)角顯著減小。葉片的圍帶和拉筋接觸轉(zhuǎn)速的變化見表2 所示。

通過分析三組葉片的接觸轉(zhuǎn)速，可以看出圍帶的接觸轉(zhuǎn)速在925~1 177 r/min 之間，而拉筋的接觸轉(zhuǎn)速在1 276~1 318 r/min 之間。

2 葉片扭轉(zhuǎn)恢復(fù)特性的試驗驗證

2.1 試驗方法

圖4 扭轉(zhuǎn)恢復(fù)角相對葉高的變化曲線

由于圍帶、拉筋之間的間隙都比較小，圍帶間隙3.3±0.4 mm，拉筋間隙0.4±0.4 mm，對各種試驗方法進行研究，考慮到現(xiàn)行手段試驗的可行性，最終確定采用著色的方法對葉片進行實驗測試。來確定圍帶和凸臺拉筋的實際接觸轉(zhuǎn)速。

2.2 試驗數(shù)據(jù)（見表3）

2.3 試驗結(jié)果

圖5 扭轉(zhuǎn)恢復(fù)角相對葉高的變化曲線

圖6 扭轉(zhuǎn)恢復(fù)角相對葉高的變化曲線

表2 葉片接觸轉(zhuǎn)速與扭轉(zhuǎn)恢復(fù)角

表3 試驗數(shù)據(jù)

試驗結(jié)果表明，不同圍帶間隙，接觸轉(zhuǎn)速也不相同，從1 000 r/min時部分葉片貼合，隨著轉(zhuǎn)速的提高，到1 150 r/min 時全部接觸，葉片形成整圈連接。拉筋的接觸轉(zhuǎn)速在1 200～1 300 r/min 之間。對于接觸轉(zhuǎn)速有限元計算值和試驗值做比較見表4 所示，可以看到圍帶的接觸轉(zhuǎn)速有限元計算與試驗值基本吻合。

表4 接觸轉(zhuǎn)速r/min

［1］ 中國動力工程協(xié)會.火力發(fā)電設(shè)備技術(shù)手冊：第2 卷：汽輪機［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1999：28，43.