動葉片葉根強(qiáng)度數(shù)值仿真研究

曾瑜

摘要：動葉片旋轉(zhuǎn)做功時(shí)，葉根局部會產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，當(dāng)最大應(yīng)力超過材料最大屈服強(qiáng)度時(shí)，會導(dǎo)致動葉片斷裂。本文運(yùn)用ANSYS軟件對動葉片分別進(jìn)行數(shù)值仿真研究，研究結(jié)果表明，溫度和轉(zhuǎn)速是葉根產(chǎn)生應(yīng)力的重要因素，最大應(yīng)力位置會因熱載荷的影響而改變。

Abstract： When the rotating blade works， the stress concentration will occur at the root of the blade. When the maximum stress exceeds the maximum yield strength of the material， it will lead to the fracture of the moving blade. In this paper， ANSYS software is used to study the numerical simulation of the moving blade. The results show that temperature and rotation speed are important factors for the stress of the blade root， and the position of the maximum stress will change due to the influence of thermal load.

關(guān)鍵詞：動葉片;熱分析;熱-結(jié)構(gòu)耦合分析

Key words： moving blade;thermal analysis;thermal structure coupling analysis

0 ?引言

動葉片是煙氣輪機(jī)的核心部件，目前在葉根的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)中僅考慮結(jié)構(gòu)載荷對葉根的影響，但在實(shí)際工況下，入口的煙氣溫度很高，會將大量熱傳遞給動葉片，葉根由于受熱膨脹發(fā)生變形，這會間接降低葉根結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全系數(shù)， 因此設(shè)計(jì)葉根結(jié)構(gòu)時(shí)要充分考慮熱載荷的影響，通過數(shù)值仿真熱-結(jié)構(gòu)耦合作用下葉根的應(yīng)力集中情況給葉根的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)[1]。

1 ?前處理

1.1 模型的建立

在對煙氣輪機(jī)的動葉片進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時(shí)，通常使用NURBS方法進(jìn)行三維建模[2]。動葉片葉根共由三對齒組成，齒形為縱樹型結(jié)構(gòu)?？傃b配模型是由1個(gè)輪盤和52片動葉組成，為減少計(jì)算量，在仿真模擬前，將模型進(jìn)行剖分，取其一個(gè)周期性模型進(jìn)行分析，如圖1所示。

1.2 網(wǎng)格的劃分

網(wǎng)格劃分時(shí)，對模型進(jìn)行四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分。通過網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，如表1所示，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量為327299時(shí)，計(jì)算結(jié)果已基本收斂，因此將該網(wǎng)格數(shù)量定為最終的網(wǎng)格密度，網(wǎng)格劃分后進(jìn)行網(wǎng)格質(zhì)量檢查，如圖2所示，網(wǎng)格平均質(zhì)量為0.8，一般網(wǎng)格質(zhì)量需達(dá)到0.6以上，此網(wǎng)格能夠滿足計(jì)算精度要求。

1.3 邊界條件設(shè)置

數(shù)值分析時(shí)需設(shè)置各項(xiàng)材料屬性和邊界條件;動葉片和輪盤材料均為GH864，材料密度為8220kg/m3，其他參數(shù)隨著溫度的變化關(guān)系如表2所示[3]。

溫度邊界條件假設(shè)為煙機(jī)入口溫度596度，輪盤中心溫度假設(shè)為冷卻蒸汽溫度250度，環(huán)境溫度假設(shè)為22度。

2 ?數(shù)值求解

2.1 結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析

結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析時(shí)，由于負(fù)載的影響，在工作過程中會導(dǎo)致超速120%的情況發(fā)生，因此選取極限工況即超速120%作為安全系數(shù)進(jìn)行動葉片的性能分析。

圖3左側(cè)所示為YL型動葉片超速120%工況下靜力學(xué)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布云圖，圖中最大應(yīng)力為416.99MPa，位于內(nèi)弧側(cè)第三根齒的倒圓角處，每對齒的載荷比不盡相同。

圖3右側(cè)所示為YL型輪盤超速120%工況下靜力學(xué)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布云圖，圖中最大應(yīng)力為703.85MPa，位于背弧側(cè)第一根齒的倒圓角處，每對齒的載荷比與葉根載荷比基本一致。

2.2 熱—結(jié)構(gòu)耦合分析

在結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析的基礎(chǔ)上，添加溫度邊界條件，在葉根處增加熱載荷，將熱分析與結(jié)構(gòu)分析進(jìn)行耦合計(jì)算，進(jìn)一步研究工況條件為超速和高溫的熱—結(jié)構(gòu)耦合分析。

圖4左側(cè)為YL型葉片的熱—結(jié)構(gòu)耦合分析應(yīng)力分布云圖，耦合工況作用下，產(chǎn)生的最大應(yīng)力值為624MPa，位于背弧側(cè)第一根齒圓角處，這是由于在熱傳遞的影響下，第一根齒的溫度相對最高，產(chǎn)生的局部熱應(yīng)力也就越大，耦合分析的最大應(yīng)力值比單獨(dú)結(jié)構(gòu)分析時(shí)的最大應(yīng)力值增加了205 MPa。而該材料在工況溫度下的屈服強(qiáng)度為900MPa，該結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較為安全。

圖4右側(cè)為YL型輪盤的熱—結(jié)構(gòu)耦合分析應(yīng)力分布云圖，耦合工況作用下，最大應(yīng)力值為855MPa，位于內(nèi)弧側(cè)第一根齒圓角處，該位置與葉根基本保持一致，耦合分析的最大應(yīng)力值比單獨(dú)結(jié)構(gòu)分析時(shí)增加了152MPa。該材料在工況溫度下的屈服強(qiáng)度為900MPa，根據(jù)第四強(qiáng)度理論，該結(jié)構(gòu)強(qiáng)度也較為安全。

3 ?結(jié)語

分析結(jié)果表明，僅在結(jié)構(gòu)載荷邊界條件下，YL型動葉片產(chǎn)生的最大應(yīng)力值為416MPa，YL型輪盤槽產(chǎn)生的最大應(yīng)力值為703MPa。而在熱—結(jié)構(gòu)耦合載荷的邊界條件下，YL型動葉片產(chǎn)生的最大應(yīng)力值為624MPa，YL型輪盤槽產(chǎn)生的最大應(yīng)力值為855MPa，由于熱載荷的作用，最大應(yīng)力值的位置發(fā)生變化。由于動葉片和輪盤槽產(chǎn)生的最大應(yīng)力值均低于材料的屈服強(qiáng)度900MPa，所以該結(jié)構(gòu)可滿足設(shè)備安全運(yùn)行的要求。

由此可知，用數(shù)值分析的方法計(jì)算動葉片的最大應(yīng)力時(shí)，熱應(yīng)力的作用非常重要，要把熱載荷作為葉根結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要參考因素，基于熱-結(jié)構(gòu)耦合的分析結(jié)果可為改進(jìn)動葉片葉根設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)提供可靠依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]費(fèi)國勤.影響煙氣輪機(jī)長周期安全運(yùn)行的因素及分析[J].石油化工設(shè)備技術(shù)，2003，24（5）：24-29.

[2]辛東旺.風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片三維建模及分析[D].西安：西安理工大學(xué)，2018.

[3]任琪琛.煙氣輪機(jī)動葉片沖蝕磨損的數(shù)值模擬[D].蘭州：蘭州理工大學(xué)，2016.