大型空冷汽轮机末级叶片动应力分析

• 作 者: 张晓峰
• 机 构: 北京工业大学
• 出 处: 北京工业大学
• 发表日期: 2005年期
• 关键词: 空冷汽轮机组 末级动叶片 动应力 有限元 叶片激振力

叶片的安全可靠性是汽轮发电机组的运行安全关键因素。空冷汽轮机直接用空气冷却，受外界大气因素影响较大，因此末级叶片所承受的动应力复杂，这直接影响叶片的疲劳寿命。因此在设计阶段对空冷汽轮机叶片进行动应力特性分析就显得尤为重要。
针对叶片的结构特点，采用适应较强的三维八节点实体单元模拟叶片，建立叶片运动微分方程；叶片在高速旋转时，受到其自身质量引起的离心力，使叶片发生扭转恢复变形，且该变形已超出小变形范围，故在方程中考虑了几何大变形的问题。
由于流体计算能反映空冷汽轮机叶片表面激振力变化情况，因此采用流体计算结果作为叶片激振力，通过编制三维插值程序将流体叶片表面压力转化为固体网格叶片节点的压力变化，实现流体和固体的间接耦合。
根据整圈叶盘系统所具有的循环对称特性和其受到激振力特性，建立叶片各个扇区边界节点的循环对称位移约束关系，利用波传播理论将位移约束的计算从时间域转化为空间域计算。通过在扇区边界施加循环对称边界条件，间接实现动应力的循环对称计算，减少了计算所需的机器内存和机时。
最后，在以上方法和理论分析的基础上，本文对某空冷汽轮机648mm末级动叶进行动应力分析。分析空冷汽轮机在背压15kPa、25kPa、30kPa、35kPa、40kPa、45kPa、50kPa、55kPa、60kPa、65kPa和75kPa下的动应力，得到叶片的各个背压下的动应力分布情况，以及背压从15kPa变化到75kPa过程中叶片的动应力变化情况及其规律。通过对叶片的各个工况下叶片瞬态动应力分析，得到叶片上的危险点，并结合谐响应分析，绘制危险点在不同频率激振力作用下的位移响应曲线。计算结果为空冷汽轮机组设计提供了重要依据。