動葉片葉根強度數值仿真研究

曾瑜

摘要：動葉片旋轉做功時，葉根局部會產生應力集中現象，當最大應力超過材料最大屈服強度時，會導致動葉片斷裂。本文運用ANSYS軟件對動葉片分別進行數值仿真研究，研究結果表明，溫度和轉速是葉根產生應力的重要因素，最大應力位置會因熱載荷的影響而改變。

Abstract： When the rotating blade works， the stress concentration will occur at the root of the blade. When the maximum stress exceeds the maximum yield strength of the material， it will lead to the fracture of the moving blade. In this paper， ANSYS software is used to study the numerical simulation of the moving blade. The results show that temperature and rotation speed are important factors for the stress of the blade root， and the position of the maximum stress will change due to the influence of thermal load.

關鍵詞：動葉片;熱分析;熱-結構耦合分析

Key words： moving blade;thermal analysis;thermal structure coupling analysis

0 ?引言

動葉片是煙氣輪機的核心部件，目前在葉根的經驗設計中僅考慮結構載荷對葉根的影響，但在實際工況下，入口的煙氣溫度很高，會將大量熱傳遞給動葉片，葉根由于受熱膨脹發生變形，這會間接降低葉根結構設計的安全系數， 因此設計葉根結構時要充分考慮熱載荷的影響，通過數值仿真熱-結構耦合作用下葉根的應力集中情況給葉根的結構設計提供理論依據[1]。

1 ?前處理

1.1 模型的建立

在對煙氣輪機的動葉片進行結構分析時，通常使用NURBS方法進行三維建模[2]。動葉片葉根共由三對齒組成，齒形為縱樹型結構。總裝配模型是由1個輪盤和52片動葉組成，為減少計算量，在仿真模擬前，將模型進行剖分，取其一個周期性模型進行分析，如圖1所示。

1.2 網格的劃分

網格劃分時，對模型進行四面體非結構網格劃分。通過網格無關性驗證，如表1所示，當網格數量為327299時，計算結果已基本收斂，因此將該網格數量定為最終的網格密度，網格劃分后進行網格質量檢查，如圖2所示，網格平均質量為0.8，一般網格質量需達到0.6以上，此網格能夠滿足計算精度要求。

1.3 邊界條件設置

數值分析時需設置各項材料屬性和邊界條件;動葉片和輪盤材料均為GH864，材料密度為8220kg/m3，其他參數隨著溫度的變化關系如表2所示[3]。

溫度邊界條件假設為煙機入口溫度596度，輪盤中心溫度假設為冷卻蒸汽溫度250度，環境溫度假設為22度。

2 ?數值求解

2.1 結構靜力學分析

結構靜力學分析時，由于負載的影響，在工作過程中會導致超速120%的情況發生，因此選取極限工況即超速120%作為安全系數進行動葉片的性能分析。

圖3左側所示為YL型動葉片超速120%工況下靜力學結構應力分布云圖，圖中最大應力為416.99MPa，位于內弧側第三根齒的倒圓角處，每對齒的載荷比不盡相同。

圖3右側所示為YL型輪盤超速120%工況下靜力學結構應力分布云圖，圖中最大應力為703.85MPa，位于背弧側第一根齒的倒圓角處，每對齒的載荷比與葉根載荷比基本一致。

2.2 熱—結構耦合分析

在結構靜力學分析的基礎上，添加溫度邊界條件，在葉根處增加熱載荷，將熱分析與結構分析進行耦合計算，進一步研究工況條件為超速和高溫的熱—結構耦合分析。

圖4左側為YL型葉片的熱—結構耦合分析應力分布云圖，耦合工況作用下，產生的最大應力值為624MPa，位于背弧側第一根齒圓角處，這是由于在熱傳遞的影響下，第一根齒的溫度相對最高，產生的局部熱應力也就越大，耦合分析的最大應力值比單獨結構分析時的最大應力值增加了205 MPa。而該材料在工況溫度下的屈服強度為900MPa，該結構強度較為安全。

圖4右側為YL型輪盤的熱—結構耦合分析應力分布云圖，耦合工況作用下，最大應力值為855MPa，位于內弧側第一根齒圓角處，該位置與葉根基本保持一致，耦合分析的最大應力值比單獨結構分析時增加了152MPa。該材料在工況溫度下的屈服強度為900MPa，根據第四強度理論，該結構強度也較為安全。

3 ?結語

分析結果表明，僅在結構載荷邊界條件下，YL型動葉片產生的最大應力值為416MPa，YL型輪盤槽產生的最大應力值為703MPa。而在熱—結構耦合載荷的邊界條件下，YL型動葉片產生的最大應力值為624MPa，YL型輪盤槽產生的最大應力值為855MPa，由于熱載荷的作用，最大應力值的位置發生變化。由于動葉片和輪盤槽產生的最大應力值均低于材料的屈服強度900MPa，所以該結構可滿足設備安全運行的要求。

由此可知，用數值分析的方法計算動葉片的最大應力時，熱應力的作用非常重要，要把熱載荷作為葉根結構設計的重要參考因素，基于熱-結構耦合的分析結果可為改進動葉片葉根設計結構提供可靠依據。

參考文獻：

[1]費國勤.影響煙氣輪機長周期安全運行的因素及分析[J].石油化工設備技術，2003，24（5）：24-29.

[2]辛東旺.風力發電機葉片三維建模及分析[D].西安：西安理工大學，2018.

[3]任琪琛.煙氣輪機動葉片沖蝕磨損的數值模擬[D].蘭州：蘭州理工大學，2016.