汽轮机动叶片静频测试与振动安全性分析

柴保桐，张东兴，吴峥峰

（华电电力科学研究院有限公司，浙江杭州 310000）

0 引言

电站汽轮机设备中，叶片是关键的旋转部件之一，也是易发生问题的部位。相关机构数据统计表明，在汽轮机发生的事故中，由叶片因素所引起的故障占比30%～40%，其中多数是由于汽轮机叶片本身固有的振动特性差引起的[1-2]。由于汽轮机转子，尤其是低压转子末几级叶片本身叶型较长，会受到蒸汽冲刷和叶片本身产生的离心力，叶片本身的自振频率会受到一些因素（如叶片裂纹、叶片松动等故障）影响。转子叶片动频率测试在客观上具有复杂性，因此可以通过叶片静态频率试验检查叶片实际装配情况及单个叶片的振动特性是否靠近其共振频率，及时避免机组设备发生事故。通过现场对汽轮机调频叶片进行敲击试验来判断该叶片是否符合长期安全运行的要求。某厂2#机组大修期间，对该转子末两级动叶片进行了敲击测频试验。

1 叶片频率测试方法、原理及试验仪器

采用自振法进行叶片静态固有频率的测定。试验原理：首先在宏观上对该机组末两级叶片进行现场检查，观察是否存在表面裂纹等现象；其次，进行敲击试验，使用橡皮锤对每一叶片进行有节奏敲击，激发叶片产生自由衰减振动信号，然后通过拾振器转化成电信号输入进示波器，通过和信号发生器中已产生的已知频率信号相迭加进行比价，得到李沙茹图，进而确定转子叶片的自振频率。使用自振法测定叶片的自振频率快速、准确、简单，监测的中、长叶片主要振型为危险性最大的A0（一阶）振动，叶片高阶振动，如A1（二阶）振动、A2（三阶）振动等则属于消失快、小幅值振动。现场叶片测频试验使用南京安正公司生产的频谱分析仪，该仪器测频原理是叶片受外力后，传感器将叶片受外力冲击后的机械振动信号转变成电信号输入该频谱仪，然后通过该仪器里的滤波器、放大器和数据采集，经过滤波、放大、转换后再传入电脑进行叶片频谱分析，显示的最大振幅下的峰值所对应的准确值（Hz）即为叶片的固有频率。敲击测频试验示意见图1。

图1 敲击试验示意

2 机组概况及现场试验数据

2.1 机组概况

该电站2#汽轮机通流级数共18级，其中转子第17级（次末级）为围带连接成组叶片，第18级（末级）成组叶片采用拉金与围带复合结构。敲击测频试验仅对17级和18级调频叶片进行现场测试，相关参数见表1

表1 2#汽轮机末两级动叶片结构参数

2.2 现场试验数据

绘制末两级调频叶片所采集的试验数据曲线，见图2、图3。

3 叶片振动安全性分析

通过对现场敲击测频试验所采集的末两级调频叶片固有频率及A0（一阶）振型进行分析，可以进一步推断出叶片能否避开共振区、能否安全运行[3]。一般通过叶片安全倍率和叶片频率分散度判断叶片安全性。

3.1 叶片安全倍率

只有叶片安全倍率不小于其对应的许用共振安全倍率值，才能确保叶片可靠使用。当叶片固有频率与激振力频率相近或者相同时，会导致叶片发生共振。

图2 末级动叶片静频测量值曲线

图3 次末级动叶片静频测量值曲线

叶片动频率fd及共振转速n1计算见式（1）～式（3）。

式（1）～（3）中，K，Bb，fs，fr分别表示叶片共振倍率、叶片动频系数、叶片静态频率和叶片激振力频率。由于叶片动频系数Bb求解非常复杂，工程实践中经常通过经验公式（4）计算。

式（4）中，D，L分别表示级平均直径和叶片工作高度，单位mm。

通过式（4）以及表1中所列出的动叶片结构参数，可计算出动频系数Bb，计算结果见表2。

表2 动频系数Bb计算结果

调频叶片共振安全倍率Δ的计算见式（5）。

式（5）中，nc，n分别表示叶片临界转速和机组运行转速，单位r/s。

通过叶片敲击测频试验采集的一阶频率值计算末两级动叶片安全倍率，计算结果见表3。

表3 末两级动叶片安全倍率计算值

共振安全率的标准随叶片共振倍率K值减小而升高，因为K值越小，在2次相邻激振扰动力作用下，叶片发生衰减自由振动的周期就会越来越少，同时引发的共振幅值以及由此产生的应力也会相应增大[3]。通过表3可得：末两级调频长叶片的低频许用共振安全倍率远小于其对应的计算值，说明该级叶片能够安全稳定可靠运行。

3.2 叶片频率分散度

叶片频率分散度Δf计算式为：

式中，fmax和fmin分别表示叶片一阶A0型振动最大与最小静频值。规定：叶片频率分散度Δf＜8%为合格。

将试验所测的末两级叶片静频带入公式（6），计算出各叶片频率分散度（表4）。

表4 末两级叶片频率分散度计算值

图4 73号叶片发生轻微裂纹

从图4可以看出：末级73号叶片出现轻微裂纹；敲击试验测得该叶片频率较低；电厂对此叶片进行了处理。从表4可以看出：通过对73号叶片进行处理后，叶片频率分散度Δf＜8%，符合要求。

4 结论

（1）利用南京安正频谱分析仪进行现场叶片敲击测频测试，获取17级和18级叶片一阶A0型固有频率。

（2）从现场宏观检查与叶片敲击试验两方面来看，汽轮机转子末级73号叶片由于出现轻微裂纹，所测静频率值（97.7 Hz）偏低，电厂对该叶片进行了处理。

（3）处理后，该机组末两级调频叶片的频率分散度Δf＜8%，同时叶片许用共振安全倍率值远小于试验计算值，叶片符合安全运行要求。