煙氣輪機動葉片疲勞壽命分析

曹望廣，戰(zhàn)友亮，曹吉民

（中國石油大港石化公司，天津 300280）

煙氣輪機動葉片疲勞壽命分析

曹望廣，戰(zhàn)友亮，曹吉民

（中國石油大港石化公司，天津 300280）

以大港石化第三聯(lián)合車間煙氣輪機動葉片為研究對象，采用有限元分析方法對動葉片做強度和疲勞壽命的計算分析，以驗證煙氣輪機12 000 h強制維修時間是否合理。

煙氣輪機；動葉片；有限元分析法；疲勞壽命；強制維修時間

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.10.48

0 引言

動葉片作為煙氣輪機的主要做功元件，長期在高溫、高速、催化劑粒子沖擊的工況下運行，承受著離心載荷、熱載荷、沖擊載荷等多種形式載荷，是最易受到損傷的部件。實踐表明，動葉片的使用周期取決于疲勞壽命。

1 煙氣輪機簡介

公司三聯(lián)合車間催化裝置煙氣輪機為蘭州煉油機械廠生產(chǎn)的“YL-13000B”型單級煙氣輪機，2006年10月經(jīng)檢修技術(shù)改造（雙級改為單級）安裝投產(chǎn)至今，已安全運行11 a，動葉片由蘭煉機械廠制造，最初為雙級結(jié)構(gòu)，因工藝操作波動和三旋分離效果較差等原因?qū)е麓呋瘎┡軗p嚴(yán)重，跑損的催化劑嚴(yán)重磨損動葉片（圖1），多次導(dǎo)致煙氣輪機停機，其中一次動葉片從根部發(fā)生斷裂。2004年催化裝置檢修期間，將煙氣輪機改為單級結(jié)構(gòu)，投產(chǎn)后運轉(zhuǎn)良好，未出現(xiàn)過因動葉片斷裂引起煙氣輪機停機的情況。

圖1 煙氣輪機葉片結(jié)垢

公司所用煙氣輪機連續(xù)運轉(zhuǎn)周期最長的一次合計運行12 420 h。當(dāng)前，隨著中國石油對催化裝置長周期運行和“三年一修”的剛性要求，煙氣輪機需要承受長周期運行的考驗。動葉片是煙氣輪機長周期運行中最易受到損傷的薄弱部位，因此，有效預(yù)測煙氣輪機動葉片的疲勞壽命，對煙氣輪機適時地預(yù)知維修很有必要（圖2）。

2 分析步驟

建立起煙氣輪機動葉片整體結(jié)構(gòu)三維模型，利用有限元分析軟件ANSYS對動葉片的三維模型進行載荷計算和有限元分析，計算出煙氣中的固體催化劑顆粒從不同角度沖擊動葉片時在葉面上產(chǎn)生的應(yīng)力集中系數(shù)。同時考慮到高溫?zé)煔夂透咚匐x心力對動葉片的蠕變損傷影響，根據(jù)線性疲勞損傷累積準(zhǔn)則，綜合確定煙氣輪機動葉片的疲勞危險點，進而完成對YL-13000B煙氣輪機動葉片的疲勞壽命預(yù)測。

圖2 煙氣輪機動葉片外形

2.1 建立有限元模型

大港石化YL-13000B型煙氣輪機為單級輪盤結(jié)構(gòu)，輪盤上安裝有63片動葉片，由于動葉片在旋轉(zhuǎn)過程中具有周期對稱性，可以任意取1個周期內(nèi)的1個對稱段（輪盤的1/63）建模分析。利用Pro/E軟件建立關(guān)鍵點，繪出輪廓線，生成輪盤和動葉片模型并對模型做必要簡化，去除不重要的特征（圖 3）。

圖3 輪盤榫槽和動葉片結(jié)構(gòu)模擬

2.2 材料屬性

煙氣輪機動葉片選用的材料為GH864合金鋼?；瘜W(xué)組成見表1，彈性模量見表2。

2.3 劃分網(wǎng)格

利用軟件對模型進行劃分網(wǎng)格（圖4）。注意應(yīng)力集中部位通常存在于動葉片實體幾何形狀變化大的尖銳部位，此處網(wǎng)格要進行細(xì)化。本模型為4面體，分為10節(jié)點單元，39 277個小單元，60 191個節(jié)點。

表1 GH864化學(xué)元素組成

表2 GH864的彈性模量

圖4 動葉片及榫槽的網(wǎng)格劃分

2.4 有限元分析

2.4.1 載荷和約束條件

通過ANSYS軟件給所建模型施加一繞輪盤轉(zhuǎn)軸的角速度來模擬加載，輪盤轉(zhuǎn)軸與葉片根部的距離為811.9 mm。大港石化催化煙氣輪機轉(zhuǎn)子的額定轉(zhuǎn)速為5888 r/min，相應(yīng)角速度為616.59 rad/s。

通過分析轉(zhuǎn)子的特殊結(jié)構(gòu)，動葉片安裝在輪盤的榫槽內(nèi)，二者為接觸約束性質(zhì)，其中動葉片為熱裝，軸向受到約束，榫槽與動葉片的接觸面視作徑向約束。因此，給所建模型施加的約束詳見圖4中的A面與A′面。因兩面為周期性對稱約束，故兩面的網(wǎng)格劃分也相同，兩面上的應(yīng)變和應(yīng)力呈現(xiàn)出周期性相對應(yīng)的特征。動葉片溫度選用平均工作溫度650℃，彈性模量隨溫度變化而改變，可從表2中選取。當(dāng)分析動葉片的靜機械強度和模態(tài)時，固氣兩相流對動葉片表面的沖擊產(chǎn)生的壓載可模擬為定常載荷。

2.4.2 應(yīng)力和應(yīng)變分布

以額定轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)時，煙氣輪機動葉片的吸、壓力面的應(yīng)力、應(yīng)變分布如圖5所示。

3 ANSYS疲勞分析步驟

ANSYS軟件中的疲勞分析模塊——AWE Fatigue是以ASME鍋爐和壓力容器規(guī)范為依據(jù)，也可自己編制相關(guān)準(zhǔn)則程序，并將彈、塑性應(yīng)力應(yīng)變分析和Minner疲勞累積損傷準(zhǔn)則簡化。

圖5 動葉片應(yīng)力和應(yīng)變分布

3.1 葉片疲勞壽命分布

不考慮催化劑的應(yīng)力集中，經(jīng)ANSYS軟件的疲勞分析模塊計算得到動葉片壓力面、吸力面的疲勞壽命分布見圖6。圖6中的疲勞壽命單位為h。

從圖可知，煙氣輪機動葉片的最小疲勞壽命值是36 868 h，分布在樅樹榫第一和第二對齒間齒槽的后部，葉身的最小疲勞壽命值 h，分布在壓力面靠近葉根的中部。

圖6 疲勞壽命分布

3.2 動葉片危險部位確定

動葉片關(guān)鍵點的選定要從有限元模型的疲勞計算分析入手，綜合高應(yīng)力分布區(qū)、應(yīng)力集中分布區(qū)和催化劑沖刷導(dǎo)致的應(yīng)急集中分布區(qū)3方面的情況，初步選定6處關(guān)鍵點進行計算（圖7）。

圖7 動葉片危險點

3.3 疲勞壽命估算

在考慮催化劑重刷時計算得出的疲勞壽命結(jié)果見表3。

表3 危險點疲勞壽命

從表3可知，考慮到催化劑重刷因素后，動葉片的最小壽命值由36 668 h降低至31 750 h，降低了13.4%，最小壽命值部位也相應(yīng)發(fā)生改變，由樅樹榫第一和第二對齒間齒槽的后部變至吸力面樅樹榫齒根部位。因此，催化劑的沖刷對動葉片的影響很大，應(yīng)通過優(yōu)化動葉片外形設(shè)計，選擇高效、高分離精度的三旋產(chǎn)品等手段來提高動葉片使用壽命。

再計算動葉片關(guān)鍵點的蠕變壽命。依據(jù)材料熱強曲線、應(yīng)力—壽命曲線，得出關(guān)鍵點的蠕變壽命（表4）。依據(jù)線性損傷累積法則，動葉片關(guān)鍵點的總損傷等于疲勞損傷與蠕變損傷的線性疊加，計算出動葉片關(guān)鍵點的總損傷，進而推算出動葉片的使用壽命（表 5）。

表4 煙氣輪機動葉片蠕變壽命

表5 煙氣輪機動葉片總損傷壽命

4 結(jié)論

由表5可知，煙氣輪機動葉片的最小使用壽命為14 620 h，約合20個月。實際生產(chǎn)中，規(guī)定煙氣輪機連續(xù)運行12 000 h進行強制大修，更換轉(zhuǎn)子（含動葉片）。由此可見，該動葉片可以滿足正常生產(chǎn)要求，疲勞強度合格。

TK263.3

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〔編輯 吳建卿〕