汽輪機動葉片靜頻測試與振動安全性分析

柴保桐，張東興，吳崢峰

（華電電力科學研究院有限公司，浙江杭州 310000）

0 引言

電站汽輪機設備中，葉片是關鍵的旋轉部件之一，也是易發生問題的部位。相關機構數據統計表明，在汽輪機發生的事故中，由葉片因素所引起的故障占比30%～40%，其中多數是由于汽輪機葉片本身固有的振動特性差引起的[1-2]。由于汽輪機轉子，尤其是低壓轉子末幾級葉片本身葉型較長，會受到蒸汽沖刷和葉片本身產生的離心力，葉片本身的自振頻率會受到一些因素（如葉片裂紋、葉片松動等故障）影響。轉子葉片動頻率測試在客觀上具有復雜性，因此可以通過葉片靜態頻率試驗檢查葉片實際裝配情況及單個葉片的振動特性是否靠近其共振頻率，及時避免機組設備發生事故。通過現場對汽輪機調頻葉片進行敲擊試驗來判斷該葉片是否符合長期安全運行的要求。某廠2#機組大修期間，對該轉子末兩級動葉片進行了敲擊測頻試驗。

1 葉片頻率測試方法、原理及試驗儀器

采用自振法進行葉片靜態固有頻率的測定。試驗原理：首先在宏觀上對該機組末兩級葉片進行現場檢查，觀察是否存在表面裂紋等現象；其次，進行敲擊試驗，使用橡皮錘對每一葉片進行有節奏敲擊，激發葉片產生自由衰減振動信號，然后通過拾振器轉化成電信號輸入進示波器，通過和信號發生器中已產生的已知頻率信號相迭加進行比價，得到李沙茹圖，進而確定轉子葉片的自振頻率。使用自振法測定葉片的自振頻率快速、準確、簡單，監測的中、長葉片主要振型為危險性最大的A0（一階）振動，葉片高階振動，如A1（二階）振動、A2（三階）振動等則屬于消失快、小幅值振動。現場葉片測頻試驗使用南京安正公司生產的頻譜分析儀，該儀器測頻原理是葉片受外力后，傳感器將葉片受外力沖擊后的機械振動信號轉變成電信號輸入該頻譜儀，然后通過該儀器里的濾波器、放大器和數據采集，經過濾波、放大、轉換后再傳入電腦進行葉片頻譜分析，顯示的最大振幅下的峰值所對應的準確值（Hz）即為葉片的固有頻率。敲擊測頻試驗示意見圖1。

圖1 敲擊試驗示意

2 機組概況及現場試驗數據

2.1 機組概況

該電站2#汽輪機通流級數共18級，其中轉子第17級（次末級）為圍帶連接成組葉片，第18級（末級）成組葉片采用拉金與圍帶復合結構。敲擊測頻試驗僅對17級和18級調頻葉片進行現場測試，相關參數見表1

表1 2#汽輪機末兩級動葉片結構參數

2.2 現場試驗數據

繪制末兩級調頻葉片所采集的試驗數據曲線，見圖2、圖3。

3 葉片振動安全性分析

通過對現場敲擊測頻試驗所采集的末兩級調頻葉片固有頻率及A0（一階）振型進行分析，可以進一步推斷出葉片能否避開共振區、能否安全運行[3]。一般通過葉片安全倍率和葉片頻率分散度判斷葉片安全性。

3.1 葉片安全倍率

只有葉片安全倍率不小于其對應的許用共振安全倍率值，才能確保葉片可靠使用。當葉片固有頻率與激振力頻率相近或者相同時，會導致葉片發生共振。

圖2 末級動葉片靜頻測量值曲線

圖3 次末級動葉片靜頻測量值曲線

葉片動頻率fd及共振轉速n1計算見式（1）～式（3）。

式（1）～（3）中，K，Bb，fs，fr分別表示葉片共振倍率、葉片動頻系數、葉片靜態頻率和葉片激振力頻率。由于葉片動頻系數Bb求解非常復雜，工程實踐中經常通過經驗公式（4）計算。

式（4）中，D，L分別表示級平均直徑和葉片工作高度，單位mm。

通過式（4）以及表1中所列出的動葉片結構參數，可計算出動頻系數Bb，計算結果見表2。

表2 動頻系數Bb計算結果

調頻葉片共振安全倍率Δ的計算見式（5）。

式（5）中，nc，n分別表示葉片臨界轉速和機組運行轉速，單位r/s。

通過葉片敲擊測頻試驗采集的一階頻率值計算末兩級動葉片安全倍率，計算結果見表3。

表3 末兩級動葉片安全倍率計算值

共振安全率的標準隨葉片共振倍率K值減小而升高，因為K值越小，在2次相鄰激振擾動力作用下，葉片發生衰減自由振動的周期就會越來越少，同時引發的共振幅值以及由此產生的應力也會相應增大[3]。通過表3可得：末兩級調頻長葉片的低頻許用共振安全倍率遠小于其對應的計算值，說明該級葉片能夠安全穩定可靠運行。

3.2 葉片頻率分散度

葉片頻率分散度Δf計算式為：

式中，fmax和fmin分別表示葉片一階A0型振動最大與最小靜頻值。規定：葉片頻率分散度Δf＜8%為合格。

將試驗所測的末兩級葉片靜頻帶入公式（6），計算出各葉片頻率分散度（表4）。

表4 末兩級葉片頻率分散度計算值

圖4 73號葉片發生輕微裂紋

從圖4可以看出：末級73號葉片出現輕微裂紋；敲擊試驗測得該葉片頻率較低；電廠對此葉片進行了處理。從表4可以看出：通過對73號葉片進行處理后，葉片頻率分散度Δf＜8%，符合要求。

4 結論

（1）利用南京安正頻譜分析儀進行現場葉片敲擊測頻測試，獲取17級和18級葉片一階A0型固有頻率。

（2）從現場宏觀檢查與葉片敲擊試驗兩方面來看，汽輪機轉子末級73號葉片由于出現輕微裂紋，所測靜頻率值（97.7 Hz）偏低，電廠對該葉片進行了處理。

（3）處理后，該機組末兩級調頻葉片的頻率分散度Δf＜8%，同時葉片許用共振安全倍率值遠小于試驗計算值，葉片符合安全運行要求。