汽轮机叶片激振源的分类及消除措施

汽轮机叶片激振源的分类及消除措施

0第二,定期执行的估算在定性方面，车辆内的振动源是众所周知的，但在许多情况下，它是无法定性的。在这方面尚需进行大量工作。本文将从5个方面对汽轮机叶片的激振源进行分类论述,并提出一些可取的措施以消除激振源或使它们减低到最低程度。1方面的偏差在汽轮机的设计及制造过程中,由于汽轮机本身结构方面的要求及加工制造方面的偏差,会引起由于汽轮机动叶栅进汽角、流速和压力空间不均匀所激起的振动。对于运动着的叶片来说,这可以看作是随时间变化的周期性脉动汽流和力场,而这种类型的激振频率必将是转速频率或其整数倍,即谐频。1.1不均匀性原则部分进汽是指蒸汽仅通过其圆周通道的一部分进入汽机喷嘴。这种进汽的不均匀性,对于大型汽轮机的调节级来说是一个主要的激振源,但对汽轮机的低压部分不是一个激振源。汽轮机径向进汽时要求汽流转为轴向,而在径向排汽时又要求汽流方向由轴向转为径向。这两种情况均能引起周向压力或速度的不均匀性。气动性能设计得好可以使这种不均匀性的幅度降低到最低程度并使周向气流参数变化平稳,使得较高的谐振被消除,并且在额定转速下第一、第二阶谐振低于叶片的固有频率。汽轮机用于给水加热器的抽汽口也能引起汽流方向的改变。1.2静叶的阶振由于装配原因,静叶在水平中分面处的配合不精确,使得隔板在水平中分面处的静叶片可能需要修配。在某些情况下,为避免引起转速偶数倍的谐振,水平中分面处的叶片甚至可能被切除。隔板内外环及隔板在水平中分面的漏汽。动叶相对于隔板套汽封、汽缸的偏心,会激起一阶谐振,也可能引起高阶谐振。由于热变形等因素引起的汽缸、汽封、隔板等静止部件的椭圆度。静叶厚度、喉宽的不均匀会引起“喷嘴尾迹”的随机振动。可见,避免以上加工制造不对称影响的唯一的办法就是确保制造和装配工序的高质量。2出汽边太薄时会出现酶喷嘴尾迹。喷嘴尾迹的激振是指当汽流经过每一静叶或每一列静叶栅时所产生的气动力脉动现象,是动叶以“喷嘴通频”,即转速频率x静叶数或其倍数激起的振动。某些现象是喷嘴尾迹总效应的原因之一。粘性尾迹。由附面层引起的粘性尾迹是一个尾迹分量,即使在一块薄平板上通过平行气流时也存在这种分量。其厚度主要取决于由叶弦尺寸决定的雷诺数,并且不大容易改变。出汽边厚度分量。即使在静叶周围蒸汽流动状况良好,只要其出汽边具有有限的厚度,就有可能引起紊流尾迹的形成,从而增加了尾迹的总厚度。因此,制造者必须在由于出汽边太厚而增加尾迹的总厚度以及由于出汽边太薄对叶片强度产生的不良影响两者之间进行选择。脱流尾迹。由于设计不佳或机组在非设计工况运行时,可能会导致静叶中汽流未达到出汽边就已脱离静叶,因而产生更宽的尾迹,并可能在汽道中产生汽流的强烈脉动,即涡流。冲波和膨胀波。当汽流在静叶流道中达到超音速时,就会引起冲波。更为严重的情况是,当喷嘴中的汽流被阻塞且膨胀不足时,在出口汽流中会形成膨胀波和压缩波的网谱,这时不仅是通过此冲击波前方的动叶通道将引起激振,而且离开喷嘴的大部分汽流也将改变方向,从而会干扰经过动叶列的汽流。此外,当机组在非设计工况运行时,这些现象也会出现。水滴的冲击。在汽轮机的低压部分,蒸汽压力通常低于其温度所对应的饱和压力,因此蒸汽中含有凝结水分。一些较小的雾状水珠落在静叶上,聚集成为一层较厚的水膜,这层水膜在离开出汽边时破裂成为相当大的水滴。这些水滴在尾迹中的加速很缓慢,从而被动叶以高速撞击,这也是动叶进汽边水蚀的主要原因。显然,这种撞击在动叶上产生周期性的力,从而激起振动。对于一个特定的动叶来说,并不是每通过一尾迹就必然引起与水滴的撞击。因此,激振频谱带有某种程度的随机性质,其平均频率低于喷嘴通频。在设计上,应采取一些减少水蚀的措施,例如增大转子和静子的轴向间隙、提高蒸汽的密度、降低蒸汽的湿度、采用较长的末级叶片等措施,均能减小激振源。3长叶片和转子-静子间的轴向间隙当喷嘴尾迹使动叶进汽边处产生的波向上游传播,然后以一定的相位关系从叶片表面反射到动叶进汽边时,在同一级的静叶和动叶之间可能会出现波的谐振效应。此波如果不受到限制,其振幅将会以共振方式依次增加。喷嘴尾迹效应是汽轮机和其它透平机械中常见的激振源之一。一般来说,人们总是想通过增大转子-静子间的轴向间隙来减少这种激振。但是,试验表明,此间隙的增大也有一个最佳极限值。减少激起喷嘴基本谐振的另一条途径是,使喷嘴间隙具有某种程度的不等性,可是这种结构会激起其接近基本谐振的其它谐振。如果对叶片共振曲线没有一定程度的认识,就不可能使叶片的振动响应减少到必要的程度。对于低压部分长叶片来说,在喷嘴通频下的共振振型特征是:沿着叶片出汽边半侧有一簇“扇形变形区”,也就是叶片有一个局部变形区。另外,还有一些与转速频率无关的瞬时汽流扰动,导致了波的加强效应。包括蒸汽流道中的汽流不稳定性,例如:蒸汽通过进汽管道、抽汽管道或其它腔室时汽流激起的声共振;加强肋及撑杆引起的涡流;静叶引起的不稳定脱流;在动叶围带、叶轮等处紊流撞击引起的表面压力脉动;由叶片边缘或其它因素引起的噪音现象等,转动部分的动叶自身汽流不稳定性,如:附面层压力波动;叶片出汽边引起不稳定汽动力的涡流。4叶片失速颤振的原因分析失速颤振。当汽轮机在低负荷下运行,且其末级叶片在其长度方向的上部存在大的负攻角时,就会引起失速颤振。这时,该叶片上部的作用犹如压气机,即在该处存在一个回流区,蒸汽从排汽缸经过末级叶片的下部向上流动。这种现象应视为引起叶片事故的一个重要潜在原因。迄今,已在分析这种现象和改进设计方面付出了巨大努力,以避免失速颤振,或至少使叶片有足够的强度来承受这种颤振。不失速颤振。从理论上来说,在不失速的情况下也能发生颤振现象,但在汽轮机试验中还未看到这种迹象。不稳定冲击波。当蒸汽在扩张的汽道中膨胀并且穿过所对应的蒸汽饱和线时,蒸汽并不是立刻开始凝结。更确切地说,这时会有某种程度的过饱和现象,而到某一点(威尔逊线)时,在较小的范围内会有较多的水分凝结下来,从而会引起“凝结冲波”,即凝结时流体密度同时增大的现象。如果此冲击波发生在动叶内,而且动叶间的汽流通道由于叶片振动而变形,则此冲波在汽道中将来回移动。可以确信,在叶片运动和冲波运动之间的相位关系完全可以使振动的叶片获得能量,因而产生自激振或自持振动。对这种现象的研究还有待进一步进行。5危险减到最低程度的途径由于配电系统发生电器故障或由于发电机的不对称效应会激起转子的扭振,从而激起叶片振动或叶片叶轮组合振动。使这种形式的激振危险减到最低程度的途径是把转子的固有频率避开50Hz及其倍数。同时,由