全轉速汽輪機1 450 mm鈦合金長葉片動態振動特性試驗研究

張永海，谷偉偉，薛朝囡，高 慶，楊長柱，盧中俊，寧 哲，居文平,

（1.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054；2.西安西熱節能技術有限公司，陜西 西安 710054；3.東方汽輪機有限公司，四川 德陽 618000）

隨著國民經濟持續發展和全國范圍內用電結構的變化，大容量發電機組仍舊擔負了國內電網的主要負荷，也起到必不可少的重要作用。因此發展高參數、大容量、高效、環保型燃煤電站仍是火力發電技術的重要課題和發展方向，是國家節能減排戰略的關鍵組成部分。

汽輪機低壓末級葉片承受很大的負荷。開發更長的末級葉片是大幅降低汽輪機的排汽損失、提高汽輪機效率的有效途徑之一；同時更長的末級葉片可減小汽輪機軸系長度，有效降低電站建設成本。

隨著大容量、高參數機組的快速發展，低壓末級葉片面臨諸如葉片材料性能、安全性設計、葉片制造等諸多技術挑戰。受到葉片巨大的離心應力和葉頂高圓周速度限制，鋼制全轉速葉片長度極限范圍在1 400 mm左右。為滿足低壓末級葉片葉根強度安全性要求并突破葉片鋼制材料強度限制，可采用鈦合金、碳化物或玻璃纖維等。鈦合金材料由于其具有強度高、耐疲勞性能和耐腐蝕性優良等特點，而成為目前末級超長葉片的首選材料。

長葉片設計開發是汽輪機關鍵的技術難點。開發高效率、高強度且安全可靠的汽輪機末級長葉片是發電領域一項重要的基礎研究工作，更是一項非常復雜的系統工程，其設計制造涉及流體力學、材料、制造工藝等多門科學和領域，開發制造周期漫長。因此，其設計制造水平標志著一個國家汽輪機制造業的發展水平。在全球范圍內，受到汽輪機末級長葉片設計和制造的制約，掌握高參數、大容量發電汽輪機技術的制造廠商屈指可數，長葉片設計開發更是各大汽輪機制造廠商最重要的、優先研究方向和領域[1-5]。

汽輪機葉片空氣動力學性能、加工形狀、表面粗糙度、間隙及運行特點、結垢等因素影響汽輪機的效率和出力，而葉片振動強度及運行方式對汽輪機安全可靠性起著決定性影響[6-8]。整圈自鎖阻尼長葉片包含圍帶、拉筋及葉根等，其結構和系統復雜，使得長葉片數值分析接觸邊界處理較為困難，且接觸狀態下輪系動頻率的數值模擬方法研究尚不完善，導致數值計算與實際試驗結果存在偏差[9-10]。在長葉片最終的定型時，仍舊需要誤差小、可靠性高的動頻率測量試驗來驗證數值結果并決定葉片最終尺寸，因此汽輪機長葉片動頻率測量試驗一直被制造廠商和科研單位重視并普遍采用。王仲博[11]對汽輪機664 mm和685 mm葉片進行了小容積流量下動態特性實測試驗，并獲得了葉片動頻率和動應力數據；褚玉喜等[12]進行了大功率空冷機組末三級動葉片的設計開發及其動頻率測量試驗；谷偉偉等[13]對880 mm葉片進行了動頻率測量及調頻試驗，獲得了該級葉片動頻率數據；龍倫等[14]進行了某型帶冠渦輪葉片振動特性及動應力測試，并研究了帶冠葉片激振力來源及動應力大小的影響因素；馬義良等[15]進行了高阻尼末級長葉片動頻率理論計算和分析，并對其動頻率進行了測量試驗；商宇等[16]對新開發的汽輪機1 200 mm末級動葉片開展了葉片葉根強度和動調頻試驗。

1 450 mm鈦合金葉片存在鈦合金材料對缺口敏感、離心應力高、系統質量較大激振困難、測試信號復雜識別困難及引線固定工藝復雜等特點和問題，這為末級1 450 mm鈦合金長葉片動頻率測試帶來了技術難題和挑戰。本文針對國內某制造廠自主研制的目前國內最長汽輪機低壓末級全轉速1 450 mm鈦合金葉片，進行了鈦合金點焊工藝、超長葉片激振方式、應變片布置選位及振動信號識別等技術研究，對全轉速1 450 mm鈦合金長葉片動頻率測試技術進行了研究，并成功進行了實際調頻試驗。該試驗研究對汽輪機長葉片開發設計和動頻率測試技術研究都具有借鑒意義和實用價值。

1 全轉速1 450 mm鈦合金葉片參數

國內某制造廠新研制了適用于超超臨界全轉速大容量1 200~1 300 MW等級超低背壓汽輪機末級1 450 mm鈦合金超長葉片。該葉片采用阻尼凸臺拉筋、自帶冠結構，隨著轉速增加葉片圍帶間、拉筋間先后自動接觸，最終形成整圈全自鎖結構，其結構參數見表1。

表1 1 450 mm鈦合金葉片結構參數Tab.1 Structural parameters of the 1 450 mm titanium alloy blade

2 動頻率測試技術與方法

2.1 測試技術

動頻率試驗是汽輪機葉片設計開發中必不可少且至關重要的一環。葉片設計定型、運行安全性及可靠性等都需要利用動頻率測量試驗來提供試驗數據并驗證。

工作狀態下汽輪機葉片受離心應力和復雜蒸汽激振力的共同作用。蒸汽激振力通常分為高頻激振力和低頻激振力2類。高頻激振力是由噴嘴尾跡引起的，噴嘴出口流速沿圓周向分布不均。由于尾跡區作用力比主流區小，所以動葉片每經過1個噴嘴片受到1次擾動。汽輪機低壓末級長葉片固有頻率一般遠低于高頻激振力頻率（2 000~7 000 Hz），因此長葉片調頻試驗主要是使其動頻率避開與轉速有關的低頻激振力頻率。

根據整圈葉片三重點振動理論，對于全周連接的（葉片組）葉片，在滿足式(1)所示條件時，會激發葉片葉輪系統的“三重點”共振[17]。

式中：fdm為節徑數m時葉片的動頻率，Hz；k為激振諧波階次；m為整圈葉片振動節徑數；n為轉子轉速，r/min。

為使汽輪機整圈自鎖阻尼葉片避開運行條件下的“三重點”共振頻率范圍，凡能夠影響葉片固有頻率的因素，如葉片圍帶徑向或軸向尺寸、拉筋尺寸、型線、質量及葉根安裝狀況等，都可作為葉片調頻試驗手段。可以通過調整葉片質量或葉片圍帶、拉筋或葉根處的接觸狀況而改變葉片固有頻率。按照設計要求，運行過程中由于離心應力作用，長葉片葉根和葉輪槽處于緊固狀態，除了制造加工及裝配工藝影響，葉片安裝狀態可調整的余地較小；調整葉片拉筋大小或其相互之間的接觸面積，需重新拆卸和安裝葉片，程序繁雜而難度較大，易損壞葉片，且拉筋對葉片2階以上頻率影響更為有效，該方法不宜在工業生產中采用。因此，在實際生產中廣泛采用的調頻方法是調整葉片圍帶徑向或軸向尺寸而改變葉片剛度和質量，從而改變葉片固有頻率。

根據制造廠設計數據和數值計算結果要求，在試驗開始前，1 450 mm鈦合金葉片的圍帶結構尺寸數據與最終設計數值相比預留有一定的余量，以便進行調頻試驗。在完成單次動頻率測量試驗后，由試驗數據和數值計算結果決定葉片圍帶車削量，經多次試驗及葉片圍帶車削后可以得到最終的圍帶結構尺寸數據以實現調頻的目的，并保證葉片投運后的振動安全。

2.2 測試方法

本文在葉片動頻率測試中采用無線電測試方法，測量系統主要包括電阻絲應變片、微型發射機、電池、發射天線、同軸電纜、接收機、數據采集記錄儀及FFT分析儀等。測試儀器系統如圖1所示。

圖1 無線電測試系統Fig.1 Schematic diagram of the radio telemetry system

汽輪機整圈連接葉片動頻率測量試驗在高速動平衡臺上進行，在轉子系統升速或降速過程中測量葉片的共振動頻率。具體測量方法為：在轉速變化過程中，利用高壓氮氣或壓縮空氣沖擊葉片，產生的持續激振力迫使葉片和應變片振動而變形；應變片阻值和發射系統電路電流發生變化，經過電路中微型發射器調制信號并發射；接收裝置將無線信號接收并解調還原分析，從而得到一定轉速范圍內各個最大共振響應點時葉片各階次的固有頻率及其對應的轉速數值。

本文試驗中設計安裝了1套有1只固定噴嘴的管路系統。通過控制閥門的開關，可導入壓縮空氣激振葉片，以便激勵出葉片“三重點”共振信號。試驗過程中，保持動平衡室倉體內部溫度不超過80 ℃，使葉片所在的試驗溫度更接近真實機組低壓末級葉片運行溫度，保證試驗測量的動頻率與運行環境下葉片固有頻率相一致，這一頻率更有利于葉片長期運行安全。

2.3 適應全轉速鈦合金超長葉片的測試工藝開發

對全轉速1 450 mm鈦合金超長葉片進行動頻率測試，存在鈦合金材料對缺口過渡敏感、費用昂貴、超長葉片高離心應力大、超長葉片測點布置困難及葉片激振困難等技術問題，給動頻率測試帶來更多的難題和挑戰，需要對現有的動頻率測試系統及其工藝進行升級和改進研究，以滿足全轉速1 450 mm鈦合金超長葉片動頻率測量試驗的特殊情況。

本文針對1 450 mm鈦合金超長葉片動頻率測試存在的問題及現有的動頻率測試系統情況，對如下新技術和工藝進行研究分析。

1）對超長鈦合金、復雜連接結構葉片不同節徑高階動頻率的繁雜測試信號進行持續識別和處理技術進行研究，并在試驗過程中采取了全譜監視和記錄葉片振動信號，可以實現汽輪機超長葉片動頻率測試數據詳細識別分析和記錄，避免“三重點”共振信號遺漏，保證了分析結果準確，并確保試驗葉片精準定型。

2）針對國內最長的全轉速汽輪機低壓末級1 450 mm鈦合金葉片，開展應變片不同布置對鈦合金超長葉片動頻率測試結果影響研究，開發了針對該種連接結構葉片創新性的應變片布置技術，并在1 450 mm鈦合金葉片動頻率試驗中采用了應變片高低位交錯布置方式。

3）針對鈦合金超長葉片系統質量較大，研究了激振噴嘴在不同激振角度、激振位置和激振力大小等情況下對鈦合金長葉片動頻率測量效果的影響規律，開發了大剛性高轉速條件下超長葉片激振技術，解決了動態下長葉片系統激振困難問題，避免試驗過程中由于復雜連接結構長葉片不同節徑高階動頻率的繁雜測試信號響應小而被基頻信號掩蓋而無法識別分析，將會造成試驗葉片無法精準調頻并為以后長期運行埋下安全隱患。

4）針對鈦合金材料對缺口敏感性問題，開展了點焊機功率大小、鈦合金鋼皮厚度對鈦合金基體表面損傷程度的影響試驗研究，解決了在點焊機一定功率下點焊鈦合金鋼皮的焊接工藝技術，鈦合金葉片布線固定工藝以及在高速旋轉狀態下持續、可靠的拾取、傳輸葉片實時振動信號并進行實時分析的技術難題。

點焊機在特定功率時可以將鈦合金薄皮熱熔接在鈦合金葉片上，而不會傷及鈦合金葉片的表面和內部結構，避免鈦合金葉片表面損傷而留下安全隱患，確保鈦合金葉片投產后長期的安全運行。

5）開展了304不銹鋼、鈦合金與鈦合金基體葉片及葉輪的點焊固定工藝測試研究，采取在葉輪、鈦合金葉片上分別用304不銹鋼和鈦合金薄皮點焊固定和保護試驗信號線，解決焊接后鈦合金基體存在輕微的熔斑及試驗過程中信號線脫落問題，保證了試驗順利完成。

試驗前嚴格按照工藝要求粘貼應變片和布線。圖2為本文試驗的測點及布線。用脫脂棉分別蘸丙酮和工業酒精對葉片的粘貼應變片部位和布線區域進行葉片表面清潔處理。信號引線用不銹鋼或鈦合金卡子點焊定位、涂膠、固化，以防止引線因為高速旋轉產生離心力及葉片鼓風作用而脫落。

圖2 測點及布線Fig.2 The measuring points and wiring

3 試驗過程

試驗前安裝并調整噴嘴支架系統及接收天線環，調試數據記錄系統，接通各個發射機電路電源，通過自振法進行靜態信號接收測試，確保各個系統正常工作。

采用本文測試技術，在高速平衡試驗平臺上對1 450 mm鈦合金長葉片動頻率進行測量和調頻試驗。

為消除葉片裝配過程中造成的圍帶和拉筋接觸面接觸不穩定的影響以使葉片狀態更接近運行工況，同時排除試驗中其他偶然因素帶來的干擾，確保本次試驗數據真實無誤。在第1次試驗完成后試驗數據顯示，1 450 mm鈦合金長葉片動頻率數值在2 820～3 090 r/min 區間內不存在“三重點”共振點，未對葉片圍帶繼續加工。

試驗最高轉速為3 200 r/min，轉子轉速升速到最高轉速后，在降速過程中開啟壓縮空氣系統對葉片進行激振試驗，同時對試驗數據進行記錄和分析。

4 數據處理及分析

試驗測得設計尺寸下整圈1 450 mm鈦合金葉片1—4階的“三重點”共振頻率及共振轉速數據，見表2。圖3為試驗測得的整圈1 450 mm鈦合金葉片坎貝爾圖。其1階第3節徑響應圖如圖4所示。由圖3可知，1階m=3節徑的共振轉速約為2 367 r/min，2階m=6節徑的共振轉速約為2 642 r/min，3階m=7節徑的共振轉速約為2 564 r/min，4階m=8節徑的共振轉速約為3 112 r/min。

表2 1 450 mm鈦合金葉片“三重點”共振頻率和共振轉速Tab.2 The “3-coincide point” resonance frequency and resonance speed of the 1 450 mm titanium alloy blade

圖3 整圈1 450 mm鈦合金葉片坎貝爾圖Fig.3 Campbell diagram of the 1 450 mm titanium alloy blade in full circle

圖4 1 450 mm鈦合金葉片第1階第3節徑響應Fig.4 The diameter response diagram of the 1st stage 3rd pitch of the 1 450 mm Titanium alloy blade

測試過程中，1 450 mm鈦合金葉片的1階m=3節徑“三重點”共振轉速出現了2次，而測得了相對應的2個不同動頻率值，分別約為84 Hz和118 Hz，且2—4階節徑數m=7~9的“三重點”共振轉速均重復出現。這說明在此轉速范圍內，葉片圍帶和拉筋是逐漸貼合并形成整圈結構，表明了試驗條件下葉片圍帶、拉筋貼合試驗轉速范圍約為1 650~1 900 r/min，2 000 r/min以上時該級葉片已為整圈連接。在3 200 r/min以下范圍內未出現一階m=2節徑的共振轉速，說明該“三重點”共振轉速已高于3 200 r/min以上。

根據目前國內電網周波47.5~51.5 Hz實際運行情況，并參照相關的汽輪機葉片評價標準[18-19]，本次試驗考核了1 450 mm鈦合金葉片在2 820~3 090 r/min轉速范圍內不存在1—4階節徑數m不大于8的“三重點”共振情況。試驗結果表明，1 450 mm鈦合金葉片調頻合格，1 450 mm鈦合金葉片在運行周波內具有良好的振動安全性能。

5 結 論

本文通過汽輪機長葉片動頻率測試技術開發研究，完成了全轉速汽輪機低壓末級1 450 mm鈦合金超長葉片動頻率測試，獲得了試驗轉速范圍內其各個響應最大點的轉速和動頻率數值，完成了該葉片的調頻試驗。結論如下。

1）開發了超長全轉速葉片動頻率測試技術，完成了全轉速汽輪機低壓末級1 450 mm鈦合金葉片動頻率測試。

2）全轉速汽輪機低壓末級1 450mm鈦合金葉片動頻率測試數據準確可靠，在2 820～3 090 r/min區間內不存在1—4階節徑數m≤8的“三重點”共振點，滿足調頻規范要求。

3）由試驗過程及試驗結果可知，長葉片連接結構較為復雜，其數值計算動頻率與試驗結果仍有一定的偏差。

4）本試驗研究解決了鈦合金材料缺口敏感性、異種金屬材料點焊工藝、超長葉片高離心應力測點粘貼及布線、超長葉片系統激振等關鍵技術問題。