[發(fā)明專利]一種整圈自鎖葉片動頻計算方法

有效

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• 申請日: 2017-11-01
• 公開（公告）號: CN107862122B
• 公開（公告）日: 2021-04-23
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 莊達明;丁旭東;劉象拯;王佳男
• 申請（專利權(quán)）人: 杭州汽輪動力集團有限公司
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F30/17
• 代理公司: 杭州凱知專利代理事務(wù)所(普通合伙) 33267
• 代理人: 金國棟

本發(fā)明涉及一種整圈自鎖葉片動頻計算方法，該方法采用三維有限元法計算所關(guān)注的n個不同轉(zhuǎn)速下整圈自鎖葉片的靜強度和模態(tài)頻率，根據(jù)計算所得各節(jié)徑、各階的模態(tài)頻率，繪制坎貝爾圖，得到“三重點”共振轉(zhuǎn)速。該方法在一定接觸正壓力范圍內(nèi)，通過在圍帶、拉筋接觸對添加剛度單元，將復(fù)雜的非線性接觸摩擦過程等效線性化處理；考慮了葉片的材質(zhì)和加工方式，提出接觸剛度與接觸正壓力的關(guān)系式；在模態(tài)計算中，考慮了葉身扭轉(zhuǎn)恢復(fù)對接觸面之間的間隙的影響，考慮了接觸狀態(tài)及接觸正壓力對接觸剛度的影響。經(jīng)與實驗測試結(jié)果對比，計算所得“三重點”共振轉(zhuǎn)速與實測值偏差較小，計算結(jié)果準(zhǔn)確度滿足工程需要，為整圈自鎖葉片動頻校核提供了可靠依據(jù)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于汽輪機葉片振動頻率計算領(lǐng)域，具體涉及一種整圈自鎖葉片動頻計算方法。

背景技術(shù)

整圈自鎖葉片在汽輪機長葉片的設(shè)計中被廣泛使用。其特征在于汽輪機長葉片的設(shè)計采用了整體圍帶和凸臺拉筋的摩擦阻尼結(jié)構(gòu)(或僅采用上述兩者中的一項)。上述具有摩擦阻尼結(jié)構(gòu)的葉片，分別在圍帶和拉筋處通過接觸面相互接觸(兩個相對的接觸面構(gòu)成一個接觸對)而連接。在安裝狀態(tài)下，接觸對的兩接觸面相互平行，接觸面間存在間隙；在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，葉身在離心力作用下產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)恢復(fù)，使兩接觸面相互靠近并最終貼合。在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，當(dāng)葉片振動時，接觸面間產(chǎn)生摩擦阻尼，從而耗散振動能量，達到降低葉身動應(yīng)力的目的，同時，葉片組呈現(xiàn)出整圈振動特征，也有利于改善其振動特性。

由于上述接觸摩擦過程具有高度非線性的特征，給旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下整圈自鎖葉片的振動頻率(即動頻)的計算帶來很大挑戰(zhàn)。一種簡化的整圈自鎖葉片動頻計算方法是：采用三維有限元計算，根據(jù)靜強度計算后的接觸狀態(tài)來確定接觸對上需要耦合的節(jié)點對的范圍，在該范圍內(nèi)，將兩接觸面上對應(yīng)的節(jié)點相互耦合，從而將非線性問題簡化成線性問題，通過模態(tài)計算得到動頻。但是該方法忽略了接觸面接觸剛度的變化和相對滑移的阻尼特性。當(dāng)轉(zhuǎn)速不高、葉身扭轉(zhuǎn)恢復(fù)較小、接觸壓力也較小時，該方法計算得到的動頻值往往較實際值高許多，給整圈自鎖葉片動頻的校核造成較大誤差，無法滿足工程應(yīng)用的需要。其他用于研究具有摩擦阻尼結(jié)構(gòu)的整圈自鎖葉片振動特性的模型及方法有：宏觀滑移模型、微動滑移模型、接觸運動學(xué)模型、以及以諧波平衡法(HBM)為代表的求解葉片響應(yīng)的方法。這些模型及方法均較為復(fù)雜，求解效率不高，在工程應(yīng)用中存在一定的局限性。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是為了解決上述技術(shù)的不足而提供一種操作簡便、計算高效、結(jié)果較為準(zhǔn)確的整圈自鎖葉片動頻計算方法。

為了達到上述目的，本發(fā)明采取如下技術(shù)方案。

一種整圈自鎖葉片動頻計算方法，其特征在于，包括下述步驟：

1)建立葉片幾何模型，使圍帶、拉筋具有循環(huán)對稱幾何特征；

2)對幾何模型劃分有限元網(wǎng)格，其中，圍帶、拉筋接觸對的網(wǎng)格節(jié)點一一對應(yīng)；

3)計算不同轉(zhuǎn)速下的靜強度，邊界條件為：對葉根施加固定約束；對圍帶、拉筋循環(huán)對稱截面施加循環(huán)對稱邊界條件；對圍帶、拉筋接觸面設(shè)置接觸單元；以不同轉(zhuǎn)速作為載荷步，所述不同轉(zhuǎn)速均大于最低接觸轉(zhuǎn)速，使圍帶、拉筋均能達到接觸狀態(tài)；

4)分別計算圍帶、拉筋在不同轉(zhuǎn)速下的接觸正壓力

式中，F(xiàn)為步驟3)靜強度計算得到的不同轉(zhuǎn)速下，圍帶、拉筋接觸面上的法向反力，單位：N；A為名義接觸面積，其定義為圍帶、拉筋接觸對幾何相互重疊區(qū)域的面積，單位：mm²(考慮葉片在實際加工、裝配過程中可能存在誤差，導(dǎo)致圍帶、拉筋在實際接觸時的接觸狀態(tài)可能與有限元計算所得的接觸狀態(tài)不完全一致，為減小誤差的影響，也便于統(tǒng)計接觸面積，故采用名義接觸面積)；

5)分別計算圍帶、拉筋接觸對在不同轉(zhuǎn)速下的等效接觸剛度：