基于時域分析法的汽輪機末級葉片顫振預測及分析

姜　偉，謝誕梅，陳　暢，胡鵬飛，高　尚

(武漢大學動力與機械學院， 武漢　430072)

第一作者姜偉男，碩士生，1991年生

基于時域分析法的汽輪機末級葉片顫振預測及分析

姜偉，謝誕梅，陳暢，胡鵬飛，高尚

(武漢大學動力與機械學院， 武漢430072)

摘要：利用基于流固耦合的時域分析法對某汽輪機末級葉片的顫振問題進行了數值模擬研究。通過對不同工況、不同相位差下葉片振動響應的計算，分析預測了顫振發生的臨界流量以及葉片的振型；通過對葉片受力與位移的分析，獲得了不同葉高處流體對葉片的做功，確定了葉片上氣動不穩定區域。通過對氣動不穩定區壓力分布的分析，解釋了葉片間相位差影響顫振發作的機理。此外，研究還發現葉片受力與位移之間的相位差是影響葉片氣動穩定性的重要因素。

關鍵詞：時域分析法；末級葉片；顫振；流固耦合；氣動穩定性

基金項目：國家自然科學基金項目(51376140)

收稿日期：2014-02-12修改稿收到日期：2014-05-23

通信作者謝誕梅女，博士，教授，1962年生

中圖分類號:Tp62

文獻標志碼：A

DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2015.11.034

Abstract:A numerical simulation study was performed for a steam turbine last-stage blade with the time domain analysis method based on fluid-structure interaction. The critical flow to cause flutter and the vibration modal shapes of the blade were predicted by analyzing blade vibration responses under various operating conditions and interblade phase angles. Through analyzing load and displacement of the blade, the work done by fluid on the blade was obtained and the aerodynamic instability region on the blade was determined. The mechanism of interblade phase angle affecting flutter was illustrated through the analysis of pressure distribution in the aerodynamic instability region. The study also found that the phase difference between load and displacement of the blade is a key factor affecting its aerodynamic stability.

Flutter prediction and analysis for a steam turbine last-stage blade based on time domain analysis method

JIANGWei,XIEDan-mei,CHENChang,HUPeng-fei,GAOShang(School of Power and Mechanical Engineering, Wuhan University, WuHan 430072, China)

Key words:time domain analysis method; last-stage blade (LSB); flutter; fluid-structure interaction; aerodynamic stability

隨著大功率汽輪機的發展，汽輪機級末葉片的展弦比越來越大，其顫振問題變得越來越突出，特別對于那些不得不頻繁在低負荷工況下運行的大型汽輪機來說，葉片顫振問題越來越受到技術人員的關注[1-3]。

目前，研究葉輪機械葉片顫振問題的方法主要有兩大類，一是基于半經驗的變形激盤法[4-5]，這種顫振預測的方法已被成功用于航空領域；二是數值方法，這類方法中又可細分為兩種，①能量法，其基本思路是根據葉片模態分析的結果，針對特定的葉片振動頻率、振幅和振型，通過考察一個振動周期內流體對葉片做功的大小來分析預測葉片的顫振，文獻[6-8]采用了這種方法研究葉片顫振，但僅考慮氣動阻尼；②基于流固耦合的時域分析法，文獻[9-11]采用這種方法研究葉片顫振時，同時考慮了流體的氣動阻尼和葉片的機械阻尼。時域分析的耦合方法有全耦合(直接耦合)和離散耦合(間接耦合)兩種[12-13]。采用全耦合方法時，流體和固體方程在一個統一的矩陣中求解，這種方法需要的假設條件少，更接近于實際過程，但是求解矩陣的建立非常困難，并且計算量巨大。離散耦合法將耦合系統分解成單獨的子系統，用傳統方法逐一求解各子系統，在子系統之間傳遞壓力和位移等耦合信息，通過迭代使整個系統達到平衡。本文利用離散耦合的時域分析法，研究某600MW汽輪機末級葉片的顫振，預測其顫振邊界并分析顫振的機理及主要影響因素。

1數值模型及方法

(a)　流道　　　　(b)　葉片圖1　流道和葉片的網格模型Fig.1 Mesh model of flow pass and blade

本文的研究對象為某600MW汽輪機末級葉片，其葉高為1 016 mm，平均直徑為2 743 mm，葉片只數為94。利用ANSYS軟件分別構建用于該葉片的流道氣動分析和葉片強度分析的子系統。通過在子系統之間傳遞網格位移和表面壓力實現流體域和固體域的雙向耦合。圖1(a)和圖1(b)分別給出了流道和葉片的網格模型。

圖2　數值方法的迭代層次Fig.2 Iteration levels of numerical method

求解程序的迭代關系見圖2，在最內層的迭代中，子系統分別求解各自的計算域，當計算收斂后進入第二層迭代——“耦合迭代層”，在這一層迭代中通過反距離插值算法[14]由CFD(Computational Fluid Dynamics)求解器向CSD(Computational Structure Dynamics)求解器傳遞流體壓力，同時利用網格變形技術從CSD求解器向CFD求解器傳遞結構變形數據，第三層迭代針對瞬態問題，可以獲得葉片受力和位移隨時間的變化，從而對顫振問題進行時域上的分析。

在氣動分析子系統中，采用ANSYS CFX模塊進行三維、可壓縮、單相、粘性流場分析，湍流模型選取k-ε模型，邊界層使用可擴展壁面函數處理。入口邊界為質量流量，出口邊界為壓力出口，不同工況下的流量和背壓見表1。流道網格為ANSYS TurboGrid生成的六面體網格，單流道網格單元數約為40萬。

表1　不同工況下流量和背壓

在結構分析子系統中，使用ANSYS Transient Structural模塊進行葉片動強度分析。葉片底邊剛性固定，表面受到流體壓力。采用四面體網格，葉底前后緣應力集中處進行加密處理。

2葉片顫振預測及分析

圖3　流道子午面視圖Fig.3 Meridian plane view of flow pass

對于所研究的葉片，位移測點布置在葉片上50%～100%葉高的前緣和后緣處(見圖3)。測點命名為BxLEy和BxTEy(x：1、2，指定葉片；LE、TE：指定前緣、后緣；y：50、60、70、80、90、100，指定葉高)。

2.1顫振預測

由于該汽輪機末級葉片的數量較多，對全環葉柵建模需要10兆級別的網格數。為了減少網格數量，通常只會選取部分相鄰流道并設置周期性邊界條件。假設選取的流道數為n，全環葉片數為N，則該模型可以捕捉到的葉片間相位差α=2πk/n(k=0,1,2,…),其中要求N能被n整除。本文分別選取n=1、2，當n=1時，葉片間無相位差；當n=2時，可以捕捉到α=0、π兩種相位差。

圖4和圖5分別為測點B1LE100在n為1和2的情況下測得的位移數據。數據表明不考慮葉片間相位差影響時，在30%～100%THA工況(熱耗率驗收工況)下，葉片的振動響應呈收斂趨勢，即可判別此時不會發生顫振；而當考慮葉片間相位角影響時，在45%～100%THA工況下，葉片不會顫振，在30%～45%THA工況下，葉片的振動響應呈發散趨勢，會發生顫振，進而可以預測出該機組末級葉片顫振的臨界工況在43%～45%THA工況之間。

圖4　n=時不同工況下葉片的振動響應Fig.4 Vibration response of blade under different work condition when n=1

圖5　n=2時不同工況下葉片的振動響應Fig.5 Vibration response of blade under different work condition when n=2

該汽輪機末級葉片的模態分析結果見表2。由表2可知該葉片的一階彎振頻率比一階扭振頻率小得多，意味著其扭轉剛度比彎曲剛度大得多。圖6為測點B2LE100和B2TE100在43%THA工況下(如不加說明，后文所列數據均在該工況下測得)測得的部分振動響應，該圖表明葉頂前緣和后緣測點間的振動相位差為零，即可判斷此時的葉片的振型為彎振。而對于航空領域的葉輪機械，比如壓氣機，其振型多以扭振為主[15-16]，相較于汽輪機末級葉片，這種振型上的差別主要是由展弦比的差異導致的。對該振動響應進行傅里葉變換可以獲得葉片的振動頻率為40 Hz，接近于一階彎振頻率。圖7為測點B1LE100和B2LE100測得的振動響應，該圖表明相鄰兩葉片相同位置測點的振動相位差為π，進一步表明葉間相位差是影響顫振的重要因素[17-18]。需要說明的是，本文并未考慮拉筋和圍帶的影響，理論上拉筋和圍帶可以在一定程度上控制葉間相位差，并增大葉片阻尼，抑制顫振的發生。

表2　葉片模態分析結果

圖6　葉頂前緣和后緣振動響應Fig.6 Vibration response at leading point and trailing point of blade top

圖7　相鄰葉片葉頂前緣振動響應Fig.7 Vibration response at leading point of adjacent blades

2.2壓力分布

計算中，在顫振振幅達到最大值后，本文選取一個振動周期提取壓力數據，周期用T表示。圖8為不同葉高處在一個周期內的壓力分布，橫坐標中0到1為壓力面的壓力分布，1到2為吸力面的壓力分布。從圖中可以看出，自80%葉高處開始出現了比較明顯的壓力波動，且壓力的波動集中在壓力面0.5 -0.75處。前文的分析表明汽輪機末級葉片發生顫振時，葉片間存在相位差且葉片振型為彎振，這兩個條件導致葉片間的節距發生變化，從而導致葉片表面壓力的波動。

圖8　葉片表面壓力分布Fig.8 Pressure distribution at blade surface

圖9為80%葉高處某一周期內t=0和t=T/2時刻的壓力分布。圖中實線表示t=0時的壓力場，虛線表示t=T/2時的壓力場。圖9顯示，在葉片的前緣處有密集的等壓線，意味著此處有非常大的壓力梯度，即存在激波，且該激波屬于脫體激波[19]。這道激波與相鄰葉片相交于0.5壓力面處，導致葉片壓力面壓力分布在0.5處驟增，圖8中80%葉高處的壓力分布以及圖9中3、4、5等壓線都表明了壓力驟增的過程。比較圖9中兩個時刻3、4、5等壓線可以發現，T/2時刻激波與葉片的相交位置前移了。激波作用于葉片位置的改變，導致80%葉高壓力面0.5～0.75處的壓力波動。激波與葉片相交位置之所以發生變化，一是因為葉片節距的改變，二是因為激波與葉片前緣距離的變化。葉片表面壓力的波動形成了葉片顫振發作的激振力。

圖9　不同時刻80%葉高處壓力分布圖Fig.9 Pressure distribution of 80% blade height at different time

2.3氣動不穩定區

激振力的存在并非顫振發生的充分條件。下面通過對葉片受力與位移的分析，找出葉片上的氣動不穩定區以及流體對葉片做正功的決定因素。

葉片壓力面和吸力面的壓力差可以通過公式(1)進行描述：

Δp(x,t)=-[(pu+ps)upper-(pu+ps)lower]

(1)

式中，下標u和s表示非穩態量和穩態量，upper表示吸力面，lower表示壓力面。

葉片表面某一截面上的受力可以通過式(2)進行計算：

(2)

式中:c為葉片弦長。由于葉片前緣和后緣處壓力變化大、噪聲多，本文只選取0.1～0.9弦長處壓力差進行積分。

不同葉高處的切向受力見圖10，結合相應的位移數據，可以分析出不同葉高處的氣動穩定性。

圖10　一個周期內不同葉高處葉片切向力Fig.10 Tangential force of blade at different blade height in one period

圖11為一個周期內不同葉高處葉片受力與位移之間的關系，箭頭方向表示時間。當沿箭頭方向逆時針旋轉時，流體在一個振動周期內對葉片做正功(此時參考系隨葉片旋轉，后文討論的做功均在此參考系下獲得) ，氣動阻尼[20]為負，處于氣動不穩定區；當沿箭頭方向順時針旋轉時，則相反。0.9、0.8、0.7葉高處均處于氣動不穩定區，0.5和0.6葉高處曲線形成“8”字形，0.5葉高處的“8”字形分布對稱，此時處于氣動穩定區，而0.6葉高處“8”字不對稱，處于穩定與不穩定之間的臨界狀態。同時可以根據曲線圍成面積的大小判斷流體對葉片做功的大小，在氣動不穩定區(0.6葉高以上部分)，隨著葉高的增加，流體對葉片的做功也越大。

圖11　不同葉高處葉片位移與切向力Fig.11 Displacement and tangential force at different blade height

圖12　不同葉高處位移與切向力Fig.12 Displacement and tangential force at different blade height

圖12表明，不論是氣動穩定區還是氣動不穩定區都存在壓力波動，但是只有受力與位移滿足特定的相位差才能使得一個周期內流體對葉片的做功為正。圖11比較了0.8葉高和0.5葉高處受力與位移之間的關系。在0.8葉高處，受力與位移相差0.4T的相位角，滿足0<0.4T<0.5T的關系；而在0.5葉高處，受力與位移的相位差在0.5T左右。可見氣動穩定性不僅取決于激振力，而且還取決于受力與位移之間的相位差。形成不同相位差的原因有待進一步的研究。

3結論

本文以某國產600MW汽輪機末級葉片為研究對象，基于ANSYS的流固耦合和顫振的時域分析法，研究了汽輪機末級葉片顫振的判定、振型、影響因素和發生機理等問題。通過對葉片振動響應、表面壓力分布和流體對葉片做功等數據的分析，得出以下結論：

(1)顫振的發作不僅需要周期性的壓力波動，還需要葉片受力與位移的相位差滿足特定的條件；

(2)葉片間相位差的存在改變了激波與葉片相互作用的位置，導致葉片表面壓力分布的波動；

(3)時域分析法可以相對更精確地預測顫振邊界，本文研究對象發生顫振的臨界工況在40%THA到45%THA之間；

(4)汽輪機末級葉片只有部分葉高處于氣動不穩定區，對于本文所研究的葉片，60%葉高以上區域處于氣動不穩定區。

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