1 概述
葉片是汽輪機(jī)的心臟,也是發(fā)生事故最多的關(guān)鍵部件。葉片的動態(tài)特性直接影響汽輪機(jī)的安全運(yùn)行,因此提高葉片的安全可靠性對于日益高漲的供電需求、保障國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展有重大意義。
葉片頻率控制技術(shù)主要采用有限元分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。在保障產(chǎn)品結(jié)構(gòu)尺寸和頻率滿足工藝要求的前提下,修磨的區(qū)域和修磨量要盡可能最小。本文采用模態(tài)靈敏度分析的方法,實(shí)現(xiàn)對葉片的頻率控制技術(shù),保證產(chǎn)品頻率的一致性和安全性,達(dá)到降本增效的目的,具有較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。
2 葉片有限元模型
葉片有限元模型是模態(tài)靈敏度分析的基礎(chǔ)和核心,本例對某葉片模型進(jìn)行適當(dāng)簡化,在HyperMesh軟件中將型面劃分48塊,采用四面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分,并將各區(qū)域的單元存放在各自的組件中,最終得到葉片的有限元模型如圖1所示,其中四面體單元總數(shù)為:259854,型面部分二維單元總數(shù)為:26933。
圖1 葉片有限元模型
3 模態(tài)靈敏度分析
3.1模態(tài)靈敏度分析
模態(tài)靈敏度分析是一種反映某設(shè)計(jì)變量對結(jié)構(gòu)特征參數(shù)(如特征值與特征向量)改變的敏感程度方法。通過靈敏度分析來衡量葉片型面不同區(qū)域?qū)︻l率的影響程度,確定對頻率影響較大的區(qū)域,并將該區(qū)域作為葉片修頻的主要區(qū)域,以實(shí)現(xiàn)最小的修磨量達(dá)到最佳的修頻控制效果。
根據(jù)模態(tài)分析理論,結(jié)構(gòu)特征值ωr和特征向量φr為單元設(shè)計(jì)變量Pm的函數(shù),K和M分別為單元?jiǎng)偠染仃嚭蛦卧|(zhì)量矩陣,推導(dǎo)無阻尼模態(tài)系統(tǒng)公式,得到固有頻率對設(shè)計(jì)變量Pm的一階靈敏度表達(dá)式:
公式一 一階靈敏度表達(dá)式
式(1)為頻率與結(jié)構(gòu)參數(shù)的靈敏度計(jì)算公式。通過模態(tài)靈敏度分析,建立頻率與葉片設(shè)計(jì)變量之間的關(guān)系,可直觀表現(xiàn)葉片修頻的主要區(qū)域及其靈敏度。
3.2模態(tài)靈敏度分析結(jié)果
結(jié)合模態(tài)靈敏度分析理論,通過ANSYS計(jì)算模態(tài)靈敏度,得到某葉片型面各區(qū)域的模態(tài)靈敏度信息(HZ/mm)。
表1 修磨0.3mm對應(yīng)的各區(qū)域靈敏度
表1是某葉片型面48塊區(qū)域中的12塊區(qū)域的靈敏度結(jié)果,正值表示升頻,負(fù)值表示降頻,可直觀反映不同區(qū)域在修磨0.3mm時(shí)各階頻率的敏感程度。結(jié)合葉片的工藝文件要求,通過優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,最終得到滿足葉片各階頻率要求的最佳修磨方案,更好地指導(dǎo)車間對葉片頻率控制。
4 有限元修頻技術(shù)實(shí)驗(yàn)
以某葉片為實(shí)驗(yàn)對象,按照模態(tài)靈敏度分析優(yōu)化后的修頻方案,在葉片指定位置畫出修磨區(qū)域,并指定修磨量,進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證有限元修頻方法(如圖2所示)。
圖2 修磨區(qū)域及拋磨現(xiàn)場
4.1修磨前
某葉片修磨前:第1階頻率超公差上限0.3Hz,第6階頻率處在公差下限(如表2所示),故需要將第1階頻率降低,第6階頻率升高。
表2 修磨前實(shí)測頻率值(HZ)
4.2預(yù)期目標(biāo)
根據(jù)靈敏度分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果,在修磨量為0.3mm時(shí)的優(yōu)化結(jié)果為:修磨A9、A10、B9、B10四個(gè)區(qū)域(如圖3所示)。
圖3 不同區(qū)域名稱
表3 理論修磨區(qū)域?qū)?yīng)的頻率變化(HZ)
表3為四個(gè)區(qū)域在修磨0.3mm時(shí)的理論頻率變化,便可以控制該葉片的6階頻率滿足頻率工藝要求。
4.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果
實(shí)際修磨量:10~20絲(根據(jù)修磨前后測量數(shù)據(jù)比較):實(shí)際頻率變化(如表4所示)。
表4 修磨前后實(shí)測頻率(HZ)
4.4實(shí)驗(yàn)結(jié)論
根據(jù)靈敏度分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果,在葉片型面上指定具體修磨區(qū)域與修磨量。經(jīng)車間實(shí)驗(yàn)實(shí)際修磨量小于指定修磨量,數(shù)據(jù)存在差異,但頻率變化趨勢與預(yù)期目標(biāo)一致,成功實(shí)現(xiàn)一階頻率降低,六階頻率升高,同時(shí)也保障其他階頻率在規(guī)定范圍內(nèi);另外,經(jīng)檢測該葉片尺寸也滿足工藝要求,最終定為合格產(chǎn)品。目前該技術(shù)成果己在10多種不同類型的葉片上應(yīng)用,效果明顯,為公司挽回大量經(jīng)濟(jì)損失。
5 結(jié)論
本文運(yùn)用HyperWorks和ANSYS軟件對葉片進(jìn)行模態(tài)靈敏度分析得到了各階頻率的敏感區(qū)域。結(jié)合優(yōu)化設(shè)計(jì)方法得到滿足頻率和尺寸要求的最佳修磨方案。并擴(kuò)大原有修磨區(qū)域、減小修磨量,大大提高了修頻效率,創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益。
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本文標(biāo)題:基于模態(tài)靈敏度分析的葉片頻率控制技術(shù)研究
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