某機型汽輪機末級葉片單只靜頻率偏差質量改進

(東方汽輪機有限公司，四川 德陽 618000)

0 引言

葉片是汽輪機的核心部件，對機組的正常運行有至關重要的影響。運行時，葉片因不斷受到汽流的沖擊作用，從而產生振動，特別是當葉片的固有動頻率與激振力頻率相等或相近時，將引起共振，使葉片產生振動疲勞破壞，嚴重影響機組的正常運行[1]。為此，設計部門在使其所設計葉片具有足夠的動頻避開裕度的基礎上，對葉片的加工質量也提出了較高的要求，特別是對成品長葉片有測靜頻率要求、對其靜頻率分散度進行了限制。目前，靜頻率測試已成為長葉片裝配前以及機組大修時的重要檢查項目。

我公司的單只動葉片靜頻率檢測是葉片批量完工后的一道檢驗工序。從2008年9月底開始，某機型汽輪機末級葉片出現大批量葉片頻率偏低現象，由于葉片的頻率超差問題，造成大量的葉片因頻率不合格滯留于加工分廠。為查找葉片頻率超差原因，對影響葉片頻率超差的關鍵因素進行了分析排查，確定了葉身幾何尺寸公差帶過大是影響葉片頻率偏差的主要原因，并提出了改進措施，解決了困擾制造部門的長葉片頻率超差問題。

1 末級葉片現狀

該末級葉片的基本參數(見圖1)：自帶冠叉形葉根；重量27.06～28.74 kg；設計頻率范圍27～28.6 Hz。

從2008年9月底開始，該末級葉片出現批量性頻率低于設計要求范圍的現象，通過修頻也不能滿足要求。對于低于頻率控制范圍1 Hz(頻率范圍為26～26.9 Hz)的葉片，我們將其稱為特殊頻率范圍，標識為TP，對此，我們對該級葉片頻率情況做了一個統計。

1)2008年10月—2010年9月1日共測量3 993件正向葉片，其中TP有1 416件，占總數的35.5%；反向葉片4 087件，其中TP有2 008件，占總數的49.1%。

2)從2010年8月至2011年6月，因頻率低于TP范圍共返修了304件，其中正向葉片184件，反向葉片120件，頻率均在25～25.9 Hz。

圖1 葉片結構圖

2 原因分析

針對該末級葉片出現大批量葉片頻率偏低的情況，我們決定從葉片材料、制造精度、測頻系統及工裝可靠性幾方面進行原因分析。

外部原因：測頻系統的差異和測頻工裝的影響。

內部原因：葉片材料的彈性模量和葉片圍帶厚度、汽道高度以及葉身幾何尺寸精度[2]。

其中，葉身型線加工公差是最有可能導致葉片頻率偏低的原因。但為了不放過任何一個可能，圍繞這幾個可能導致葉片頻率偏低的原因，我們分別展開了調查和分析的工作。

2.1 測頻系統的影響

該末級葉片采用的測頻系統(包括應用軟件、傳感器、連接線、木錘)與其他葉片的測頻系統為同一系統(見圖2)，傳感器的自重對葉片頻率的影響我們也經過了試驗證明沒問題。而且頻率偏低的情況僅在部分葉片上出現，相同的測頻系統檢測其他葉片的靜頻率時并沒有出現異常問題，因此該原因被排除。

圖2 測頻系統

2.2 測頻工裝的影響

該末級葉片葉根為內凹背凸的叉形，轉子裝配時僅裝配面接觸，中間部分(內凹背凸)不接觸。測頻工裝(見圖3)的設計與轉子裝配相同，即葉根裝配面與工裝接觸受力。該末級葉片測頻工裝是經過設計部門認可的，與裝配有一定差異，但符合測試工作頻率的要求。由于工裝的選材不能比葉片硬度高，因此，工裝在使用一定時間后將會出現變形。變形后，可能導致工裝與葉根貼合面接觸不好，使得測得的頻率偏低。

圖3 測頻工裝

為掌握葉片葉根不同平面與測頻工裝的接觸，即受力面不同所帶來的頻率值變化，我們特選取了一只葉片做了3次試驗，受力面依次為：葉根內背所有表面、葉根裝配面以及葉根中間部分。1階頻率檢測的結果依次為： 25.70 Hz，25.55 Hz，25.55 Hz。

從結果來看，3次試驗的1階頻率值變化在0.2 Hz的范圍，可以說測頻工裝的夾緊狀態對1階頻率的影響是相當小的，并非引起該末級葉片頻率普遍偏低的主要原因。

2.3 葉片材料彈性模量對頻率的影響

由于葉片頻率高低與材料彈性模量有關，為了評判實際產品葉片材料彈性模量高低對頻率能產生多大影響，我們對實際產品葉片彈性模量進行了測量。從中國科學院金屬研究所提供的檢驗結果(見表1)看，實測產品葉片常溫時的彈性模量為206.7 GPa，材料手冊上提供的該葉片材料常溫彈性模量為216 GPa，差異約4.6%。同一模型有限元計算靜頻，采用與實際產品測量靜頻相同的約束方式，用實測彈性模量比用手冊上彈性模量得到的頻率要低約0.6 Hz，差異約2.2%。可以認為，該差異遠小于6%的頻率分散度要求，設計給定的頻率合格范圍可以涵蓋彈性模量差異導致的頻率差異。

表1 彈性模量數據

對于產品葉片來說，材料的工藝、成分均有著嚴格的要求，因此不同批次材料(即使供應商不同)的彈性模量即使有差異也不大，如上面所說的4.6%差異已算很大，但其對頻率的影響仍有限。而目前加工出來的葉片頻率要比2008年以前加工出來的葉片頻率平均要低2 Hz以上，因此材料彈性模量的差異并非目前葉片頻率偏低一大截的主要原因。特別是最近發現同一批次的葉片中，有頻率高達27 Hz的葉片，也有頻率低于25 Hz的葉片，也說明了材料彈性模量差異并非葉片頻率嚴重偏低的主要原因。

2.4 圍帶厚度偏厚

經過計算，我們對正常圍帶厚度葉片和圍帶加厚1 mm葉片分別計算了其頻率值，結果如表2所示，可以看出，圍帶加厚1 mm對頻率影響僅為0.43 Hz。

表2 圍帶厚度變化對頻率的影響

同時，經檢查，加工出來頻率偏低的末級葉片，其圍帶厚度均在圖紙公差范圍內。因此，圍帶厚度并非引起葉片頻率偏低的主要原因。

2.5 汽道高度偏差的影響

我們知道葉身越長，頻率值越低，那么長度對頻率的影響有多大可通過計算得知。經過計算，我們對正常汽道高度葉片和汽道高度加高1 mm葉片分別計算了其頻率值，結果如表3所示，可以看出，汽道高度加高1 mm對頻率影響僅為0.09 Hz。

表3 汽道高度變化對頻率的影響

同時，經檢查，加工出來頻率偏低的末級葉片，其汽道高度均在圖紙公差范圍內。因此，汽道高度偏差并非引起葉片頻率偏低的主要原因。

2.6 葉身型線幾何尺寸偏差的影響

為確定葉身型線幾何尺寸對頻率的影響，我們挑選了2只葉片進行了試驗(見圖4)。#1葉片為頻率偏低葉片，其實測頻率為24.7 Hz；#2葉片為頻率高的葉片，其實測頻率為27.75 Hz。

首先，我們對這2只葉片的葉身型線各截面(從V～V至AC～AC共18個截面)最大厚度(Dmax)進行了測量和對比，結果如表4所示(其中，M和K截面分部為靠近拉筋下部和靠近拉筋上部的型線截面)。

從2只葉片的幾何尺寸檢測結果，頻率高的#2葉片Dmax值明顯要比頻率偏低的#1葉片Dmax值偏大，特別是拉筋以上型線截面，Dmax值差異最大達到了1 mm。由此，我們懷疑，該末級葉片頻率的高低差異大主要是由葉身型線的Dmax值差異大導致的。

圖4 試驗葉片的型線截面Dmax對比

表4 試驗葉片最大厚度Dmax對比

為判別到底是哪些截面對頻率影響大，我們對#2葉片(27.75 Hz)葉片進行了4次修磨葉身試驗。修身后葉片頻率結果如表5所示。

表5 修頻試驗結果

從表5可以看出：修磨D以上截面至頂部(AC、B、C截面)會使一階頻率上升；修磨拉筋上部K～D截面會使一階頻率下降；修磨拉筋下M截面對頻率幾乎無影響。

由此，我們可以得到如下結論：對于這種帶拉筋凸臺結構的動葉片，頻率受影響的范圍是拉筋凸臺至葉頂部分的幾何尺寸，拉筋以下幾何尺寸的公差變化對頻率幾乎無影響。

為了得到更確定的結果，我們對地震后出現同樣大批量葉片頻率偏低問題的其他機型末級葉片進行了修頻試驗，采用同上述類似的修頻方式，修頻結果得到的結論與該末級葉片相同，這也證實了我們的判斷。

經過以上確認，我們找出了影響該末級葉片頻率偏低的主要原因為葉身幾何尺寸。

3 確定改進方案

根據前面的試驗確定葉身幾何尺寸是影響葉片頻率的主要原因，因此，我們對汽道型面的公差帶進行了調整，將V～C截面公差帶從(+0.5，-0.6)調整為(+0.3，-0.1)，B和AC截面公差帶不變，所以截面最大厚度(Dmax)名義尺寸增加了0.2 mm，最終型面幾何尺寸滿足圖紙要求。

與此同時，我們對2009年以來出現同樣問題的其他機型末級葉片進行了葉身公差帶調整，同樣，調整后加工的葉片最終型面幾何尺寸滿足圖紙要求。

目前該末級正向葉片共加工了262只，其實測頻率范圍是26.07～27.75 Hz，比工藝方案調整前的頻率值提高了1 Hz；該末級反向葉片共加工了203只，其實測頻率范圍是26.05～27.7 Hz，比工藝方案調整前的頻率值提高了0.9 Hz。

此外，與該末級葉片結構相同的其他機型末級葉片也按此工藝方案進行了調整、加工，其結果是頻率提升了1.5 Hz，證明工藝方案是有效的。詳細統計結果如表6所示。

表6 本機型和其他機型末級葉片頻率統計

4 結語

隨著汽輪機不斷地向高參數、大容量方向發展，它們的運行安全性和可靠性日益受到關注和重視，要求我們依據科學的標準，使用先進的技術手段，對那些工作條件比較嚴峻的重要部件進行有效的監督或進行適當的調整，確保機組安全、可靠地運行。而本文通過對末級葉片材料、制造精度、測頻系統等方面進行逐一排查和試驗后，使我公司在帶拉筋凸臺長葉片的頻率控制方面找到了方向，保證了長葉片的加工制造質量，也為保障長葉片的安全性奠定了基礎。