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[摘 要]总结了目前国内外用来分析汽轮机叶片振动特性各种力学模型的特点，指出三维实体单元可以准确地拟合叶片的复杂几何形状，很好地反映叶片的局部应力状态，是研究汽轮机叶片振动特性较好的力学模型。概述了汽轮机叶片疲劳寿命预测、振动测量和故障诊断研究的基本方法和国内外发展状况，探讨了我国当前研究中存在的问题和今后的发展方向。
[关键词]汽轮机；叶片；疲劳寿命
中图分类号：TG332.1 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）47-0074-01
0 引言
叶片是汽轮机的重要零部件，在汽轮机中承担着把蒸汽的热能转化为机械能的重要任务。叶片在运行过程中不仅要承受离心拉应力、弯曲应力及气流脉动所造成的动应力，还要受到蒸汽的冲蚀、固体颗粒的磨蚀和水质不良所造成的腐蚀作用等，工作环境非常复杂，叶片事故时有发生。而造成叶片事故的原因绝大多数是疲劳断裂。调查表明，运行中叶片事故约占汽轮机事故率的40%，造成了巨大的直接和间接经济损失。20世纪70年代我国电力部门曾对100一200MW汽轮发电机组的33次叶片事故情况进行了统计分析，平均每次叶片事故所造成的直接经济损失达1000万元人民币。因此，国内外对叶片的安全性和可靠性提出了愈来愈高的要求。汽轮机叶片的疲劳寿命与故障诊断研究涉及材料力学、振动力学、计算力学、流体力学、金属材料学、断裂力学、振动信号分析及故障诊断学等多门学科，是一个跨学科综合性课题。本文就这一问题几方面的研究现状作一简要概述。
1、叶片的力学模型汽轮机叶片从调节级到末级形状多样，且多达数千片，强度和振动特性是汽轮机叶片设计时的最重要参数。一般计算时对汽轮机叶片采用的有限元分析模型有：梁类模型、板壳模型和三维实体模型。早期的叶片振动频率计算均采用的是能量法和传递矩阵法。后来，人们开始考虑叶片的弯扭祸合、剪切变形、转动惯量和叶根柔度的影响，从不同的角度建立梁类模型。西安交通大学在研究带阻尼结构汽轮机叶片振动特性时，采用了扭曲梁单元。梁类模型的优点是计算量小，程序结构简单，方法成熟，适合于长叶片的振动特性分析。缺点是模型较粗糙，自由度少，不能精确计算叶片局部应力和变形，如拉筋、围带等处的应力集中。近年来对叶片的振动特性进行研究时，有人采用薄壳模型、四边形板壳单元和厚壳单元进行计算分析。采用板壳模型对于小展弦比的汽轮机中长叶片和压气机叶片是合理的，一些文献研究得到了满意的计算结果。但对于分析像调节级这样的短叶片，因其模型假设与实际结构存在较大差别，使得计算结果误差较大，而且在处理叶片组的复杂连接上也显得力不从心。有研究认为，对几何形状复杂的叶型，因其受载荷而成为多轴应力状态，必须采用三维实体单元来模化。随着计算设备、计算方法以及工程上对叶片设计要求的提高，采用三维有限元方法对叶片进行计算分析己是发展趋势。国外有采用三维8节点等参实体单元模化叶片的例子，并且使用通用有限元分析软件ANSYS对叶片的应力和振动特性进行分析，计算了叶片的疲劳寿命。美国Sn（StressTeehoologyIncoprorated）在ANSYS的基础上开发的汽轮机叶片寿命分析软件BLADE（BladeLiefAlgorithmofrDesignEva】uatino）采用了三维8节点等参实体单元模化叶片。西安交通大学采用8节点非协调元计算叶片的振动特性和应力也得到了令人满意的结果。对于有裂纹的叶片，有人采用直梁和扭曲梁单元来模化叶片，在裂纹处引入铰链单元，铰链单元的刚度通过计算和试验确定。
综上所述，在当前计算机硬件的发展水平下，采用三维实体单元分析叶片（包括带裂纹）已成为可能。三维单元有很强的几何适应性，可以准确地拟合叶片的复杂几何形状，很好地反映叶片的局部应力状况。
2、叶片疲劳寿命的研究
汽轮机叶片在运行时，不可避免地受到蒸汽的冲蚀、固体颗粒的磨蚀、水滴的水蚀、环境介质的腐蚀和应力集中作用，随着使用时间的增加，产生疲劳裂纹。汽轮机叶片的疲劳寿命可分为裂纹萌生寿命和裂纹扩展寿命。裂纹萌生寿命定义为：叶片中形成一个工程可检尺寸（约为1mm）的裂纹所需的循环周次，一般占叶片寿命的主要部分；裂纹扩展寿命是指叶片中从形成一个工程可检尺寸的裂纹扩展到断裂所需的循环周次。通过对裂纹扩展寿命的研究可以合理安排叶片的检修周期，充分利用其剩余寿命。一般认为，叶片产生疲劳裂纹，寿命己经终结。有时在大修时，发现叶片上有裂纹，但由于缺乏备品叶片，不得不采用焊接修复或对称锯短的方法处理，这样对运行的安全性和经济性都造成了影响。19%年初，秦岭电厂200MW机组末级680mm叶片，由于水蚀在距叶顶240mm处发生断裂，造成非计划停机20多天，由于缺乏备品叶片，采取对称锯短的措施，使得机组出力下降。目前国外已可利用有限元与断裂力学方法，对叶片寿命进行动态计算，向用户提供发生裂纹的大致时间和裂纹增长率的预报资料；对已发现的叶片、围带上的裂纹，可以利用叶片剩余寿命预测方法进行计算，采用焊接来修复叶片和围带上的裂纹，并判断它是否能够维持到下一个大修期。STI在EP犯的资助下，借助于通用的有限元分析软件ANSYS，从1981年开始研究，经过10余年的艰苦努力开发出了一套商品化的汽轮机叶片寿命分析软件BLADE。据称在南加州爱迪生公司对失效叶片进行改型设计取得了比较好的效果。国外还有一些运用有限元程序进行裂纹扩展和寿命预测的研究，都取得了很好的效果。我国在这方面的研究工作开展得较少。西安热工研究院采用改进的局部应力应变法进行过一些叶片寿命计算；西安交通大学采用有限元与局部应力应变法计算了680mm叶片的疲劳寿命，后又通过带裂纹叶片的结构与应力特点的研究，提出了适合汽轮机叶片出汽边裂纹的应力强度因子计算公式，并采用Paris公式对疲劳裂纹扩展进行了分析，对其剩余寿命进行了预测；北京航空航天大学应用损伤容限方法对汽轮机叶片的裂纹扩展进行了研究。这些研究还远远不能满足工程实际的需要，对叶片疲劳寿命进行研究，预测裂纹叶片剩余寿命，保证叶片在使用期内的安全性，具有重要的现实意义。
3、结束语汽轮机叶片疲劳寿命的预测和故障诊断的研究在我国还处在初级阶段，许多有意义的工作还没有开展，有待进一步研究和探讨：例如（1）采用三维有限元和边界元模型对叶片疲劳裂纹扩展进行动态计算，确定临界裂纹尺寸；（2）采用三维有限元程序对有裂纹的叶片进行剩余寿命的预测，保证叶片在使用期内的安全性等。
参考文献
[1] 李明打.有限單元法在燃气涡轮发电机零件强度计算中的应用[M].国防工业出版社，1987
[2] 于慎君.汽轮机材料的研究进展[J]材料导报，2012
[关键词]汽轮机；叶片；疲劳寿命
中图分类号：TG332.1 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）47-0074-01
0 引言
叶片是汽轮机的重要零部件，在汽轮机中承担着把蒸汽的热能转化为机械能的重要任务。叶片在运行过程中不仅要承受离心拉应力、弯曲应力及气流脉动所造成的动应力，还要受到蒸汽的冲蚀、固体颗粒的磨蚀和水质不良所造成的腐蚀作用等，工作环境非常复杂，叶片事故时有发生。而造成叶片事故的原因绝大多数是疲劳断裂。调查表明，运行中叶片事故约占汽轮机事故率的40%，造成了巨大的直接和间接经济损失。20世纪70年代我国电力部门曾对100一200MW汽轮发电机组的33次叶片事故情况进行了统计分析，平均每次叶片事故所造成的直接经济损失达1000万元人民币。因此，国内外对叶片的安全性和可靠性提出了愈来愈高的要求。汽轮机叶片的疲劳寿命与故障诊断研究涉及材料力学、振动力学、计算力学、流体力学、金属材料学、断裂力学、振动信号分析及故障诊断学等多门学科，是一个跨学科综合性课题。本文就这一问题几方面的研究现状作一简要概述。
1、叶片的力学模型汽轮机叶片从调节级到末级形状多样，且多达数千片，强度和振动特性是汽轮机叶片设计时的最重要参数。一般计算时对汽轮机叶片采用的有限元分析模型有：梁类模型、板壳模型和三维实体模型。早期的叶片振动频率计算均采用的是能量法和传递矩阵法。后来，人们开始考虑叶片的弯扭祸合、剪切变形、转动惯量和叶根柔度的影响，从不同的角度建立梁类模型。西安交通大学在研究带阻尼结构汽轮机叶片振动特性时，采用了扭曲梁单元。梁类模型的优点是计算量小，程序结构简单，方法成熟，适合于长叶片的振动特性分析。缺点是模型较粗糙，自由度少，不能精确计算叶片局部应力和变形，如拉筋、围带等处的应力集中。近年来对叶片的振动特性进行研究时，有人采用薄壳模型、四边形板壳单元和厚壳单元进行计算分析。采用板壳模型对于小展弦比的汽轮机中长叶片和压气机叶片是合理的，一些文献研究得到了满意的计算结果。但对于分析像调节级这样的短叶片，因其模型假设与实际结构存在较大差别，使得计算结果误差较大，而且在处理叶片组的复杂连接上也显得力不从心。有研究认为，对几何形状复杂的叶型，因其受载荷而成为多轴应力状态，必须采用三维实体单元来模化。随着计算设备、计算方法以及工程上对叶片设计要求的提高，采用三维有限元方法对叶片进行计算分析己是发展趋势。国外有采用三维8节点等参实体单元模化叶片的例子，并且使用通用有限元分析软件ANSYS对叶片的应力和振动特性进行分析，计算了叶片的疲劳寿命。美国Sn（StressTeehoologyIncoprorated）在ANSYS的基础上开发的汽轮机叶片寿命分析软件BLADE（BladeLiefAlgorithmofrDesignEva】uatino）采用了三维8节点等参实体单元模化叶片。西安交通大学采用8节点非协调元计算叶片的振动特性和应力也得到了令人满意的结果。对于有裂纹的叶片，有人采用直梁和扭曲梁单元来模化叶片，在裂纹处引入铰链单元，铰链单元的刚度通过计算和试验确定。
综上所述，在当前计算机硬件的发展水平下，采用三维实体单元分析叶片（包括带裂纹）已成为可能。三维单元有很强的几何适应性，可以准确地拟合叶片的复杂几何形状，很好地反映叶片的局部应力状况。
2、叶片疲劳寿命的研究
汽轮机叶片在运行时，不可避免地受到蒸汽的冲蚀、固体颗粒的磨蚀、水滴的水蚀、环境介质的腐蚀和应力集中作用，随着使用时间的增加，产生疲劳裂纹。汽轮机叶片的疲劳寿命可分为裂纹萌生寿命和裂纹扩展寿命。裂纹萌生寿命定义为：叶片中形成一个工程可检尺寸（约为1mm）的裂纹所需的循环周次，一般占叶片寿命的主要部分；裂纹扩展寿命是指叶片中从形成一个工程可检尺寸的裂纹扩展到断裂所需的循环周次。通过对裂纹扩展寿命的研究可以合理安排叶片的检修周期，充分利用其剩余寿命。一般认为，叶片产生疲劳裂纹，寿命己经终结。有时在大修时，发现叶片上有裂纹，但由于缺乏备品叶片，不得不采用焊接修复或对称锯短的方法处理，这样对运行的安全性和经济性都造成了影响。19%年初，秦岭电厂200MW机组末级680mm叶片，由于水蚀在距叶顶240mm处发生断裂，造成非计划停机20多天，由于缺乏备品叶片，采取对称锯短的措施，使得机组出力下降。目前国外已可利用有限元与断裂力学方法，对叶片寿命进行动态计算，向用户提供发生裂纹的大致时间和裂纹增长率的预报资料；对已发现的叶片、围带上的裂纹，可以利用叶片剩余寿命预测方法进行计算，采用焊接来修复叶片和围带上的裂纹，并判断它是否能够维持到下一个大修期。STI在EP犯的资助下，借助于通用的有限元分析软件ANSYS，从1981年开始研究，经过10余年的艰苦努力开发出了一套商品化的汽轮机叶片寿命分析软件BLADE。据称在南加州爱迪生公司对失效叶片进行改型设计取得了比较好的效果。国外还有一些运用有限元程序进行裂纹扩展和寿命预测的研究，都取得了很好的效果。我国在这方面的研究工作开展得较少。西安热工研究院采用改进的局部应力应变法进行过一些叶片寿命计算；西安交通大学采用有限元与局部应力应变法计算了680mm叶片的疲劳寿命，后又通过带裂纹叶片的结构与应力特点的研究，提出了适合汽轮机叶片出汽边裂纹的应力强度因子计算公式，并采用Paris公式对疲劳裂纹扩展进行了分析，对其剩余寿命进行了预测；北京航空航天大学应用损伤容限方法对汽轮机叶片的裂纹扩展进行了研究。这些研究还远远不能满足工程实际的需要，对叶片疲劳寿命进行研究，预测裂纹叶片剩余寿命，保证叶片在使用期内的安全性，具有重要的现实意义。
3、结束语汽轮机叶片疲劳寿命的预测和故障诊断的研究在我国还处在初级阶段，许多有意义的工作还没有开展，有待进一步研究和探讨：例如（1）采用三维有限元和边界元模型对叶片疲劳裂纹扩展进行动态计算，确定临界裂纹尺寸；（2）采用三维有限元程序对有裂纹的叶片进行剩余寿命的预测，保证叶片在使用期内的安全性等。
参考文献
[1] 李明打.有限單元法在燃气涡轮发电机零件强度计算中的应用[M].国防工业出版社，1987
[2] 于慎君.汽轮机材料的研究进展[J]材料导报，2012