e-works数字化企业网  »  文章频道  »  产品创新数字化(PLM)  »  CAE

汽轮机叶片动响应计算及高周疲劳寿命评估方法(二)

2017/5/23    来源:互联网    作者:张佳敏  余德启  王恭义  吕凯      
关键字:叶片  有限元  CAE  
本文讨论了一种基于模态的稳态动力学分析理论和有限元技术的动响应计算方法,并引入了高周疲劳寿命评估方法,来对汽轮机叶片进行动强度评估。

    3 长叶片高周疲劳分析方法

    汽轮机叶片的运行过程是从启动到稳定运转再到停机。叶片的疲劳载荷可以简化为梯形波叠加三角波的复合疲劳载荷谱,即高低周疲劳载荷,如图6所示。高周载荷谱为汽流激振力,其平均值为稳定运转时的离心力和稳态汽流力。在汽轮机运行时,高周载荷谱频率是不确定的。确定载荷谱需要知道高周应力幅值αa(来自叶片动力响应),低周应力幅值(由静态离心力和稳态汽流力产生),高周疲劳载荷的平均应力是低周应力幅值。

    1

    一般来说,高周疲劳寿命评估采用应力疲劳SN方法,通过材料特性试验来得到相应的SN曲线。为了获得材料的SN曲线,需要进行SN曲线试验,试验按照国家标准《金属轴向疲劳试验方法》规定的要求进行试验。试验工作温度一般在常温下进行。SN曲线实验试样如图7所示。利用与叶片材料相同的光滑圆棒试样做常规的R=_l的拉压疲劳实验,在多个不同应力水平下进行成组试验,并将实验数据拟合,得到材料的标准疲劳SN曲线及其方程。

    2

    标准疲劳SN曲线是应力比R=-1的曲线,其载荷谱的平均应力为0,但实际疲劳问题的平均应力不可能为0,平均应力的不同会影响疲劳寿命评估。汽轮机叶片受到的高周疲劳载荷谱的平均应力不为0,因此在评估叶片高周疲劳寿命时需要进行修正,一般利用Goodman方程将低周应力幅值(即高周疲劳载荷的平均应力)与高周应力幅值修正为标准载荷谱下(R=_l,平均应力为0)的平均应力与高周应力幅值。Goodman方程如公式(1)所示:

    3

    其中Sa为高周应力幅值,SaM)为标准疲劳载荷谱应力幅值,sM为低周应力幅值和su为极限强度(脆性材料为抗拉强度,延性材料为屈服强度)。

    标准疲劳SN曲线是通过光滑试样获得的,在实际预测疲劳寿命时还要考虑一些修正系数,一般有以下一些修正系数:

    (1)尺寸和形貌修正系数:叶片不同部位具有不同的尺寸修正系数;

    (2)表面处理修正系数:一般材料表面会进行一些处理,如磨光、打磨、精细加工、热轧、锻造、浇铸、水蚀以及海水腐蚀,不同表面加工会有不同的表面修正系数,一般表面状况越恶劣,表面修正系数越小,叶片损伤越大,寿命越小;

    (3)表面热处理修正系数:一般材料表面热处理有氮化、冷乳、喷丸等,叶片经过表面热处理后会使叶片的寿命得到改善和提高,这主要是降低了叶片表面的平均应力。

    4 计算实例分析

    通常为了保证叶片能够安全运转,运行速度要避开“三重点”共振。因此在计算叶片动应力之前,先通过计算不同转速下叶片的固有频率,做出叶片的三重点共振Campbell图。通过Campbell图,得到本文分析的低压末级长叶片在工作转速下(1500r/min),3节径一阶和7节径二阶在三重点附近,因此本文计算在工作转速下上面两种模态的动响应应力,同时在叶片动应力最大点处进行了高周疲劳寿命(HCF)评估。

    4.1 叶片一阶动力响应及HCF分析

    首先,对叶片在3节径一阶模态下的动力响应进行分析,将基于模态的稳态动力响应分析步中的谐波激励频率范围设置为70Hz?105Hz(包含3节径一阶频率)。本文主要关注叶片叶身部分的动应力分布情况,通过计算可以得到3节径一阶的叶身部分的动应力分布,如图8所不。

    从图8中可以看到,在拉筋上下附近,叶身进出汽侧的动应力比较大,最大动应力点在拉筋下方的进气边小圆处,大小为21.03MPa。在进出汽边分别取点,并沿叶高方向分别绘制出进出汽边的动应力变化,如图9所示。从图9中可以看到进汽边叶身两端动应力较小,在拉筋两边位置动应力相对较大,在拉筋处变小,而出汽边动应力在叶身顶端较小,叶身低端到拉筋处,动应力变化较小,在拉筋附近相对较大。

    叶身的动应力最大点是尚周疲劳载荷下的最危险点,则在3节径一阶模态下,最大的动应力为21.03MPa,此即为高周应力幅值,低周应力幅值(即高周疲劳平均应力)来自静力载荷步为481.15MPa,用Goodman修正,得到标准疲劳载荷谱(R=-l),其平均应力为0,应力幅值为45.19MPa,将此应力幅值依据S-N曲线方程,同时引入相应的修正系数,评估得该动应力最大点的寿命大于10的7次方,则可以认为此危险点的寿命为无限寿命。

    4

    5

    4.2 叶片二阶动力响应及HCF分析

    依据上面分析方法,在计算7节径二阶动力响应时,将基于模态的稳态动力响应分析步中的谐波激励频率范围设置为170Hz?205Hz(包含7节径二阶频率)。通过计算可以得到7节径二阶的叶身部分的动应力分布,如图10所不。

    从图10可以看到,动应力在数值上比3节径一阶小,动应力主要在进出汽边和拉筋附近较大,最大动应力点在叶身顶端内弧测靠近出气边,大小为4.997MPa。同样在进出汽边分别取点,并沿叶高方向分别绘制出进出汽边的动应力变化,如图11所示。

    从图11中可以看到进汽边和出汽边动应力波动变化,在图中横坐标为0.8处动应力较大。对动应力最大点进行高周疲劳分析,其高周应力幅值为4.997MPa,低周应力幅值(即高周疲劳平均应力)来自静力载荷步为630.89MPa,用Goodman修正,得到标准疲劳载荷谱(R=-l),其平均应力为0,应力幅值为16.71MPa,将此应力幅值依据S-N曲线方程,同时引入相应的修正系数,评估得该动应力最大点的寿命同样大于10的7次方,则可以认为此危险点的寿命为无限寿命。

    6

    7

    通过对低压末级长叶片3节径一阶和7节径二阶动应力和高周疲劳寿命计算,可以得到以下结论:

    (1)叶身部分的动应力主要分布在进出汽边和拉筋附近。

    (2)随着模态频率的增加,动应力数值会减小。计算中3节径一阶的动应力最大为21.03MPa,其大于7节径二阶的最大动应力4.997MPa。

    对叶片3节径一阶和7节径二阶下的最大动应力点进行高周疲劳寿命评估,得到其寿命都大于107,可以认为危险点是无限寿命,叶片满足设计要求。

    5 总结

    本文首先讨论了有限元计算汽轮机叶片动力响应的方法,主要阐述了基于模态的稳态动力响应计算方法,详细说明了其在有限元计算中的设置方法。最后,本文运用基于模态的稳态动力响应方法,计算了某汽轮机低压末级长叶片的动力响应,并对动应力最大点即最危险点做了高周疲劳分析。通过算例计算发现,本文的计算方法可以用于汽轮机长叶片的动应力计算分析,有助于建立基于FEA的动强度计算及强度考核准则。

责任编辑:张纯子
本文来源于互联网,e-works本着传播知识、有益学习和研究的目的进行的转载,为网友免费提供,并以尽力标明作者与出处,如有著作权人或出版方提出异议,本站将立即删除。如果您对文章转载有任何疑问请告之我们,以便我们及时纠正。联系方式:editor@e-works.net.cn tel:027-87592219/20/21。
e-works
官方微信
掌上
信息化
编辑推荐
新闻推荐
博客推荐
视频推荐