發(fā)布時間：2021-08-13 12:49

　　在火電機(jī)組深度調(diào)峰工況下,汽輪機(jī)進(jìn)汽量明顯減少,低壓缸甚至處于小流量工況下,嚴(yán)重威脅葉片的安全穩(wěn)定運(yùn)行。為了研究深度調(diào)峰工況下,葉片強(qiáng)度極限內(nèi)最小流量確定的問題,利用ANSYS-Workbench軟件對末級葉片進(jìn)行流固耦合運(yùn)算和模態(tài)分析。結(jié)果表明,最大等效應(yīng)力與最大變形量所處位置不一致,最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在葉頂,最大變形量出現(xiàn)在葉片中部。隨著流量的減小,最大等效應(yīng)力和最大變形量呈先減小后增大的趨勢。G1/G0=0.1時,最大等效應(yīng)力為451.52 MPa,較額定工況時增加了18.94%,最大變形量為0.725 74 mm,較額定工況時降低了7.8%。G1/G0<0.1時,最大等效應(yīng)力超出強(qiáng)度極限,不滿足強(qiáng)度要求。隨著流量的減小,葉片固有頻率均能避開激振力頻率,葉片不會發(fā)生共振。綜合考慮應(yīng)力、應(yīng)變、頻率、振型等強(qiáng)度因素,低壓缸最小流量不得低于額定流量的10%。 

【文章來源】：機(jī)械工程學(xué)報. 2020,56(16)北大核心EICSCD

【文章頁數(shù)】：11 頁

【部分圖文】：

物理模型和網(wǎng)格示意圖表1末級葉片基本參數(shù)

機(jī)械工程學(xué)報第56卷第16期期100()div()divgrad+kTpTCTTStCρρ+=u(3)()div()=div(grad)uuuuStxρρρμ++u(4)()div()div(grad)vvvvStyρρρμ+=+u(5)()div()div(grad)wwwwStzρρρμ+=+u(6)式中，ρ為流體密度，kg/m3；t為時間，s；u為速度矢量；Ck為流體的傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；Cp為流體的比定壓熱容，J/(kg·℃)；ST為黏性耗散產(chǎn)生的能源項(xiàng)；μ為動力黏度，N·s/m2；u、v和w分別為速度矢量u在x、y和z方向的分量；Su、Sy和Sw為動量守恒方程的廣義源項(xiàng)。湍流的湍動能和比耗散率方程如式(7)、(8)所示()()iikkkkijkkutxkGYSxxρρΓ+=++(7)()()iiijutxGYDSxxωωωωωρωρωωΓ+=+++(8)式中，Γk為流體湍動能有效擴(kuò)散項(xiàng)；Γω為ω對應(yīng)的有效擴(kuò)散項(xiàng)；Gk為速度梯度引起的湍動能產(chǎn)生項(xiàng)；Gω為ω方程的湍動能產(chǎn)生項(xiàng)；Yk為湍動能發(fā)散項(xiàng)；Yω為ω對應(yīng)發(fā)散項(xiàng)；Dω為流動的正交發(fā)散項(xiàng)；Sω為用戶自定義項(xiàng)。圖1單向流固耦合過程圖1.2模態(tài)分析對于高速旋轉(zhuǎn)的汽輪機(jī)葉片在實(shí)際工作中，除了受到各種應(yīng)力作用的影響引起變形外，顫振也會引起破壞，僅憑不同負(fù)荷下應(yīng)力和應(yīng)變的分布情況不足以反映葉片安全情況。當(dāng)激振力頻率與固有頻率重合或者接近的情況下葉片發(fā)生共振，導(dǎo)致葉片出現(xiàn)裂紋甚至斷裂。因此，除了對葉片應(yīng)力、應(yīng)變強(qiáng)度

機(jī)械工程學(xué)報第56卷第16期期102圖3額定背壓、不同流量工況下的三維流線圖3.2葉片應(yīng)力分析圖4是額定背壓、不同流量工況下末級動葉片等效應(yīng)力圖。如圖4a所示，在額定工況下，葉片最大等效應(yīng)力為366MPa，位于葉片頂部出汽邊側(cè)，最小等效應(yīng)力為0.08254MPa，位于葉片進(jìn)汽邊側(cè)。這主要是因?yàn)檠厝~高方向葉頂處厚度最薄，沿汽流流動方向出汽邊側(cè)最薄弱，因此，其應(yīng)力值在整個葉片中最高。隨著流量的減小，最大等效應(yīng)力位置逐漸向葉頂進(jìn)汽邊側(cè)移動。當(dāng)G1/G0=0.3時，最大等效應(yīng)力為231MPa，較額定工況下的最大等效應(yīng)力降低了40.2%，最小等效應(yīng)力為5.5659MPa，比額定工況下的最小等效應(yīng)力增加了64倍。在該階段，葉片壓力脈動引起的彎應(yīng)力占主導(dǎo)作用，雖然流場惡化使得整體的應(yīng)力水平增加，但是流量減小，作用在葉片上的載荷減小，所以最大等效應(yīng)力明顯減校當(dāng)G1/G0=0.15時，葉片最大等效應(yīng)力為330.74MPa，較額定工況下的最大等效應(yīng)力降低了9.63%。當(dāng)G1/G0=0.1時，葉片最大等效應(yīng)力為451.52MPa，較額定工況下的最大等效應(yīng)力增加了18.94%。這主要是由于G1/G0<0.3工況以后，流場嚴(yán)重惡化，開始進(jìn)入鼓風(fēng)狀態(tài)，葉片耗功散熱，葉片表面溫度升高，使得葉片熱應(yīng)力急劇增加，此時，葉片的最大等效應(yīng)力增加。當(dāng)G1/G0=0.08時，葉片完全處于鼓風(fēng)狀態(tài)，葉片熱應(yīng)力進(jìn)一步增大，最大等效應(yīng)力為521.64MPa。流量減小到切缸工況(G1/G0=0.02)最大等效應(yīng)力急劇增加到861.91MPa，嚴(yán)重威脅葉片的安全穩(wěn)定運(yùn)行。圖5為某300MW汽輪機(jī)末級動葉片的應(yīng)力分布試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值計(jì)

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]航空發(fā)動機(jī)渦輪葉片振動模態(tài)影響因素研究[J]. 李春旺,李海云,王澈,張忠平,孫強(qiáng).  空軍工程大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版). 2014(01)
[2]風(fēng)力機(jī)葉片流固耦合計(jì)算分析[J]. 胡丹梅,張志超,孫凱,張建平.  中國電機(jī)工程學(xué)報. 2013(17)
[3]基于ANSYS的飛機(jī)發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)葉片模態(tài)分析[J]. 丁平,黃燕曉.  中國民航飛行學(xué)院學(xué)報. 2010(04)
[4]300MW直接空冷汽輪機(jī)低壓末級鼓風(fēng)態(tài)流場及濕度測量[J]. 蔡小舒,寧廷保,牛鳳仙,吳廣臣,宋延勇,尚志濤,徐則林,岑岺山,郭養(yǎng)富,張瑾,李崗.  中國電機(jī)工程學(xué)報. 2008(26)
[5]水滴高速撞擊下汽輪機(jī)葉片的動力響應(yīng)[J]. 謝永慧,汪勇,張荻.  中國電機(jī)工程學(xué)報. 2008(17)
[6]汽輪機(jī)阻尼圍帶長葉片振動特性研究[J]. 謝永慧,張荻.  中國電機(jī)工程學(xué)報. 2005(18)
[7]汽輪機(jī)葉片動應(yīng)力計(jì)算方法的研究[J]. 朱寶田,吳厚鈺.  西安交通大學(xué)學(xué)報. 2000(01)
[8]基于模態(tài)綜合方法的汽輪機(jī)葉片組振動特性研究[J]. 肖俊峰,朱寶田.  中國電機(jī)工程學(xué)報. 1999(06)
[9]汽輪機(jī)葉片動應(yīng)力計(jì)算及其優(yōu)化[J]. 劉東遠(yuǎn),孟慶集.  中國電機(jī)工程學(xué)報. 1999(02)
[10]某發(fā)動機(jī)二級渦輪葉片共振斷裂可靠性分析[J]. 歐陽德,付小平,宋兆泓.  燃?xì)鉁u輪試驗(yàn)與研究. 1997(04)



本文編號：3340459