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

公司三聯合車間催化裝置煙氣輪機為蘭州煉油機械廠生產的“YL-13000B”型單級煙氣輪機，2006年10月經檢修技術改造（雙級改為單級）安裝投產至今，已安全運行11 a，動葉片由蘭煉機械廠制造，最初為雙級結構，因工藝操作波動和三旋分離效果較差等原因導致催化劑跑損嚴重，跑損的催化劑嚴重磨損動葉片（圖1），多次導致煙氣輪機停機，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構，投產后運轉良好，未出現過因動葉片斷裂引起煙氣輪機停機的情況。

圖1 煙氣輪機葉片結垢

公司所用煙氣輪機連續(xù)運轉周期最長的一次合計運行12 420 h。當前，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，有效預測煙氣輪機動葉片的疲勞壽命，對煙氣輪機適時地預知維修很有必要（圖2）。

2 分析步驟

建立起煙氣輪機動葉片整體結構三維模型，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生的應力集中系數。同時考慮到高溫煙氣和高速離心力對動葉片的蠕變損傷影響，根據線性疲勞損傷累積準則，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構，輪盤上安裝有63片動葉片，由于動葉片在旋轉過程中具有周期對稱性，可以任意取1個周期內的1個對稱段（輪盤的1/63）建模分析。利用Pro/E軟件建立關鍵點，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構模擬

2.2 材料屬性

煙氣輪機動葉片選用的材料為GH864合金鋼。化學組成見表1，彈性模量見表2。

2.3 劃分網格

利用軟件對模型進行劃分網格（圖4）。注意應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，此處網格要進行細化。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化學元素組成

表2 GH864的彈性模量

圖4 動葉片及榫槽的網格劃分

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軸的角速度來模擬加載，輪盤轉軸與葉片根部的距離為811.9 mm。大港石化催化煙氣輪機轉子的額定轉速為5888 r/min，相應角速度為616.59 rad/s。

通過分析轉子的特殊結構，動葉片安裝在輪盤的榫槽內，二者為接觸約束性質，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，故兩面的網格劃分也相同，兩面上的應變和應力呈現出周期性相對應的特征。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生的壓載可模擬為定常載荷。

2.4.2 應力和應變分布

以額定轉速運轉時，煙氣輪機動葉片的吸、壓力面的應力、應變分布如圖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，也可自己編制相關準則程序，并將彈、塑性應力應變分析和Minner疲勞累積損傷準則簡化。

圖5 動葉片應力和應變分布

3.1 葉片疲勞壽命分布

不考慮催化劑的應力集中，經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，綜合高應力分布區(qū)、應力集中分布區(qū)和催化劑沖刷導致的應急集中分布區(qū)3方面的情況，初步選定6處關鍵點進行計算（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，應通過優(yōu)化動葉片外形設計，選擇高效、高分離精度的三旋產品等手段來提高動葉片使用壽命。

再計算動葉片關鍵點的蠕變壽命。依據材料熱強曲線、應力—壽命曲線，得出關鍵點的蠕變壽命（表4）。依據線性損傷累積法則，動葉片關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，更換轉子（含動葉片）。由此可見，該動葉片可以滿足正常生產要求，疲勞強度合格。

TK263.3

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〔編輯 吳建卿〕