F級重型燃氣輪機壓氣機葉片強度分析

劉勃

（哈爾濱汽輪機廠有限責任公司，哈爾濱150046）

F級重型燃氣輪機壓氣機葉片強度分析

劉勃

（哈爾濱汽輪機廠有限責任公司，哈爾濱150046）

利用數值模擬計算軟件將已設計成型的燃氣輪機壓氣機動葉片進行受力分析，將葉片所承受的氣動力，離心力和葉片根部的固定力全部耦合在葉片上。然后用ANSYS軟件建立有限元模型，模擬出葉片的變形程度和所受應力，最后通過第四強度理論校核葉片的強度是否滿足要求。

壓氣機；葉片；強度校核

0 引言

F級重型燃氣輪機對工作條件的要求相當苛刻。就壓氣機來說，它的葉片要承受很大的離心力、氣動力及熱應力，軸向還要承受比較大的機械載荷等。在這種高負荷的情況下，葉片必須具有較高的強度，否則就難以保證燃氣輪機的正常運行。本文研究的主要內容是利用流體計算軟件分析壓氣機第0級動葉片的結構強度，從而檢驗壓氣機動葉片設計的合理性。

1 葉片的校核

首先對壓氣機葉片進行受力分析。對于壓氣機動葉來說，主要受3個力的作用：離心力、氣動力和葉片根部的固定力（重力與這三種力相比小很多，可以忽略不計）。由于固定力和離心力均可以給出，只有氣動力的分布較為復雜，沒有直接適用的公式可以計算出來，所以我們首先要通過CFX軟件來對壓氣機第0級葉片的流場按照給定的條件進行模擬，得出葉片表面的氣動力，然后在Workbench下把這種氣動力與其他力進行耦合，來計算葉片的結構強度。有關葉片的幾何模型已由葉片設計者給定，葉片的基本材料參數為：合金鋼，密度為7850kg/m3，泊松比為0.3，彈性模量E＝2.1×1011Pa，抗拉強度σb＝1 000～1 200 MPa，屈服極限為850 MPa。

2 材料的破壞準則

材料的主要破壞形式有兩種：屈服和斷裂。相應的強度理論也分為兩類：一類是解釋斷裂破壞的最大拉應力理論和最大伸長線應變理論，即第一強度理論和第二強度理論；另一類是解釋屈服破壞的最大剪應力理論和形狀改變比能理論，即第三和第四強度理論。

本文所研究的材料為某合金鋼，屬于塑性材料，根據受載荷形式和工程經驗積累，選擇第四強度理論。其計算公式為

其中，σs為材料的屈服極限，σs除以安全系數得許用應力［σ］，于是根據第四強度理論所建立的強度準則是：

其中，許用應力［σ］≈850 MPa。

3 流場分析

打開CFX軟件，做出靜葉和動葉的拓普結構，建立起整個流道的流場。然后給流場劃分網格，網格數為100 000個。最后設定邊界條件：動葉的轉速為-3 000 r/min，工質為理想氣體，類型為穩態，參考壓力是0 Pa，湍流模型為k-Epsilon模型，進口總壓0.104MPa，出口靜壓0.131MPa，總溫為288.15 K，入射角度為垂直入射。制作的流道網格模型如圖1、圖2所示。

圖1 葉片流道模型

圖2 流道整體的網格模型

通過計算機進行計算求解，最后得到了葉片周圍穩定的流場分布，而我們最關心的就是葉片表面的氣動力，圖3和圖4是壓氣機第0級葉片的動葉和靜葉的壓力云圖：圖3的左邊為動葉，右邊為靜葉，圖4則正好相反。從圖中我們可以看到葉片表面上的壓力分布，表明通過第0級葉片的壓縮，氣體的壓力得到了一定的提升。

圖3 壓氣機第0級葉片的壓力云圖

圖4 壓氣機第0級葉片的壓力云圖

4 結構分析

圖5 第0級動葉有限元模型

4.1 動葉有限元模型

將動葉葉形劃分網格，由于葉片帶有葉根部分，整體結構不規則，所以采用表面切割的方式把葉片和葉根分開，然后合為一個整體，分別進行劃分，這樣所得到的葉片網格是六面體網格，圖5所展示的就是壓氣機第0級動葉網格劃分的有限元模型。該有限元模型具有1 689個單元，8 514個節點。

然后對該模型進行材料設定。最后對葉片進行載荷施加，包括離心力、氣動力和約束力，氣動力由CFX中模擬的情況導出，與其他力進行耦合。之后，再做一組沒有離心力的情況進行對比，觀察離心力對葉片的影響。

4.2 動葉靜強度分析

通過計算機求解計算，我們可以看到一些相關計算結果。圖6所示為兩種情況下葉片總變形的結果，單位為m。

從圖6（a）中可見，葉片在正常轉動時，葉片最大變形處發生在葉片頂部，變形能達到14.6 mm，而葉片的根部附近基本上不發生任何變形。通過圖6（a）和圖6（b）的對比我們還可以發現，離心力的作用對葉片變形的影響很大，如果略去離心力的影響，變形最大值僅約5.7 mm。

圖6 氣動力作用下動葉變形云圖

圖7所示為轉動情況下氣動力作用下的動葉應力云圖，單位為Pa。

圖7 氣動力作用下動葉應力云圖（葉片轉動）

本文所研究的壓氣機葉片材料抗拉強度σb＝1 000～1 200 MPa，屈服極限＝850 MPa，根據有限元的計算，在葉片壓力面的中心處和葉片根部附近壓力最大，最大等效應力約580 MPa，沒有達到葉片材料的屈服極限，滿足靜強度要求，葉片沒有被破壞。

圖8所示是葉片在靜止情況下的應力云圖，單位為Pa。通過圖7和圖8的對比可以發現，若動葉不發生轉動，所受到的壓應力將大大減小，最大等效應力不過120 MPa，與轉動時所受應力相比不在同一個數量級上。由此可見，離心力是導致材料變形的主要因素。

圖8 氣動力作用下動葉應力云圖（葉片靜止）

5 結論

壓氣機葉片在正常工作時要承受各種負荷的影響，針對這些負荷進行了數值模擬計算，初步探討了壓氣機葉片強度的有限元分析方法。通過計算結果可以看出，壓氣機動葉在工作的過程中沒有達到屈服極限，更談不上斷裂，所以該種葉片形狀的設計和材料的選取均滿足靜強度要求。

（編輯啟 迪）

TP 391.7

A

1002－2333（2014）05－0134－02

劉勃（1987—），男，助理工程師，從事汽輪機、燃氣輪機領域的相關工作。

2014-02-21