摘要：明确指出广东粤华发电有限责任公司5号、6号汽轮机低压缸第三级叶片故障的主要原因为疲劳损伤所导致，为此，对该型叶片进行了动力学分析，利用有限元分析方法对叶片特性进行计算，并在试验台上对叶片特性进行了全面的模态测试，结果表明，这两种方法测试故障叶片的吻合程度很好，为该型叶片的改进和运行提供了有效的技术手段。
关键词：叶片；故障诊断；频率特性；模态分析
　　广东粤华发电有限责任公司5号、6号汽轮机为上海汽轮机厂生产的N300－165／535／535型，一次中间再热、凝汽式汽轮机。5号、6号汽轮机的低压缸第三级叶片在十多年的运行中，出现了较严重的裂纹、断裂、水蚀等多种故障，严重影响机组的安全运行。2台机组叶片故障主要集中在低压缸的第三级，设计编号为第22，28，34和40级，级后有第七级抽汽口。为分析叶片出现故障的原因，对该机叶片的振动特性进行了理论计算，并在试验台上对叶片特性进行了模态特性测试。
　　1、叶片的技术特性
　　第三级叶片为扭叶片，叶身没有围带与拉金，为自由叶片，材质为2Cr13－5（调质），每级有叶片156只，采用带小脚的T型叶根固定。T型叶根底部要求装有圆形或半圆形的垫隙条，使叶片保持在工作状态的接触位置，垫隙条要在叶片装配的同时装好。从故障情况看，主要是叶片出现裂纹较多，出现裂纹的叶片共有78只，其中75只叶片的位置集中在距叶顶50～100mm区域内，距叶顶150～200mm区域内有3只，裂纹的深度为10～40mm不等。若不及时更换，随着运行时间的增长，裂纹会不断扩展，直至断裂。在统计时间内，断裂叶片有2只，1只在距叶顶170mm处，另1只距叶顶80mm处。从断面看，断口纹路呈贝壳状，由出汽边向进汽边扩展，最终由于叶片有效截面的缩小，发生瞬时断裂，疲劳断裂特征明显。
　　从叶片的表面特征来看，应结合叶片的工作环境，对叶片的频率特性进行分析，从中找到导致叶片疲劳关键因素的同时，对理论计算的结果进行
　　2、理论计算
　　2．1　计算程序
　　对故障叶片的理论计算，采用了国际通用的ANSYS有限元分析程序。ANSYS程序是一个功能强大、应用灵活的设计分析及优化的软件包，它可以实现多物理场耦合的功能，允许在同一模型上进行各式各样的耦合计算，如：热－结构耦合、磁－结构耦合以及电－磁－流体－热耦合等。
　　根据机组叶片实物，通过三维坐标的读数，在UG平台上形成叶片的三维立体图形，再从UG转换成IGES文件读入ANSYS程序。这个转化过程中，模型的细节部分有缺损，考虑到模态分析要求，在建模时进行了一定程度的恢复性修正，这样的修正不会对计算结果产生什么影响，结果的可信度仍然可以保证。
　　2．2　计算模型
　　2．2．1　要注意计算精度要求和计算机的处理能力
　　有限单元计算法中，网络的划分要兼顾到计算精度要求和计算机的处理能力。在强度分析时，网格越密，分析的精度越高，但会消耗较多的计算时间，甚至会超出计算机的能力范围。
　　2．2．2　三种计算单元模型的选择
　　在本次叶片的网格划分时，先对9000个单元、19000个单元、23000个单元模型的计算进行对比，结果显示模态频率的差异在0.1％以内，说明网格的疏密对模态分析的结果影响不大，因此，本次选择9000个单元的模型来计算，保证计算精度的前提下，利用PC机处理，一次便能够得到三个模态结果。
　　2．2．3　叶片约束处理方法
　　叶根的约束条件，对叶片的模态计算有明显的影响。根据叶片的安装条件，叶片约束处理采取以下方法：
　　a）对单一叶片的叶根周向两侧，施加对称边界条件，相仿于叶片间紧贴安装于叶轮上；
　　b）T型叶根与轮缘间的间隙处理，遵照叶根装配图规定的要求。
　　2．3　计算结果
　　根据叶片故障特性，利用ANSYS程序，在可能造成叶片疲劳损伤的范围内进行自振频率的搜索，随后对各个自振频率下的振型和应力变化进行计算。表1列出了叶片各阶模态下的自振频率，根据振型动画，可以判断各阶模态的类型。
　　2．4　结果分析由计算结果可知：
　　a）对于叶根固定的自由叶片，切向A型振动的自振频率，按A0型、A1型、A2型的规律上升，即该结果符合一般变化规律。
　　b）由于本级叶片为扭叶片，进汽侧叶根部分厚度又相对较大，计算中，模态类型出现了弯扭联合振型和扭转振型。
　　3、叶片模态测试
　　3．1　叶片的离散化
　　测试所用弯扭叶片的长为252mm，将其离散划分成4×16个网格，网格上的点即为测量点，共有85个测点，实心圆点为加速度传感器固定的位置，即在点32与点33之间，见图1。
　　3．2　测试设备的组成
　　由于叶片的质量相对较小，叶根的固定对叶片的特性影响很大，因此将叶片固定在旋转式台虎钳上，台虎钳固定在大型铁板平台上。
　　3．3　叶片模态测试的数据整理。
　　在试验台架上对叶片的模态进行反复测试，对比有限元法的理论计算，可以得出切向A0型、A1型和A2型的几