涡轮工作叶片的振动特性分析

    涡轮工作叶片是燃气轮机中最重要的零部件之一，在高温高压下，承受离心力和气动力,以及振动、腐蚀、氧化等作用，工作环境十分恶劣，因此叶片故障时有发生，约占燃气轮机事故的40％以上 ，造成的损失也往往占燃气轮机事故损失的一半左右。从这个意义上说，一台燃气轮机性能的好坏取决于叶片设计的合理与否。目前，通过加长叶片(增大流通面积)，和提高机组转速(增大叶片承受能力)来满足发电及各种动力装置容量的急速扩大，是可行且普遍的方法。这不仅导致叶片的工作应力增大，更为重要的是，还会导致叶片在其工作转速的范围内发生共振从而产生故障，高周疲劳的可靠性也因而降低。因此，对叶片的振动特性进行分析研究，以确保其在发动机工作转速范围内不发生共振并提高其高周疲劳的可靠性是非常重要的。研究叶片固有振动特性以排除叶片故障，提高可靠性，一直是燃气轮机设计、生产和使用中十分关注的问题。
   
    本例以分析涡轮叶片的固有振动特性为主，忽略阻尼的作用，故为对无阻尼自由振动系统的分析研究。
   
    建模与分网
   
    本例的建模、计算、后处理工作均是在软件ANSYS完成的。由于QQ109型地面燃气轮机共有两级动力涡轮，它们从外形到工作环境均类似，分析方法也相同，故本文以第一级叶片进行分析为例。
   
    涡轮叶片实体模型如图1，叶片网格如图2。

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    固有振动特性分析
   
    本例列举了不同的温度场条件(常温和100%转速下的温度分布)、边界条件(简单边界条件：第一道榫齿工作面全约束；复杂边界条件：第一道榫齿工作面全约束及叶冠周向两侧工作面法向位移协调)和转速条件(六种工作转速，即0%，75%，85%，95%，100%，105%的工作转速)，对叶片固有振动特性结果作对比分析。
   
    叶片的固有振动频率值是取决于其几何形状和材料的，随同叶片温度分布、约束形式、和旋转速度的不同，叶片的固有振动频率将有所改变：
   
    *  温度场条件对固有振动频率的影响