基于CFD的HLA835g轉(zhuǎn)輪裂紋動(dòng)應(yīng)力分析

摘要： HLA835g水輪機(jī)增容改造運(yùn)行投運(yùn)后，連續(xù)4年均出現(xiàn)較嚴(yán)重裂紋。為分析裂紋成因，采用CFD技術(shù)進(jìn)行分析，替代動(dòng)應(yīng)力實(shí)測;進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析，分析葉片產(chǎn)生裂紋疲勞原因，提出改進(jìn)意見。

關(guān)鍵詞：葉片裂紋;CFD分析，動(dòng)應(yīng)力數(shù)值求解;控制措施

0概況

楓樹壩電站位于廣東省龍川縣境內(nèi)東江上游干流，它是以防洪、供水、灌溉為主兼顧發(fā)電航運(yùn)的綜合樞紐工程。流域面積5150km2。二號水輪機(jī)型號為HLA83g-LJ-419，由哈爾濱電機(jī)廠有限公司生產(chǎn)，轉(zhuǎn)輪葉片材料為ZG00Cr13Ni4Mo，13個(gè)葉片。機(jī)組額定轉(zhuǎn)速136.4r/min，設(shè)計(jì)額定水頭為61m，水輪機(jī)額定出力88Mw;，最大出力為102Mw，采用尾水管十字架和大軸中心自然補(bǔ)氣方式，于2009年5月11日改造后投產(chǎn)。

水輪機(jī)運(yùn)行18個(gè)月后的2010年檢查性大修，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪6個(gè)葉片出現(xiàn)貫穿性裂紋，至2015年底，先后發(fā)生嚴(yán)重程度不等的貫穿性裂紋損害，通過裂紋發(fā)生部位、裂紋性狀、力學(xué)特征等分析，轉(zhuǎn)輪葉片為疲勞性裂紋。分析裂紋的成因，其構(gòu)成因子較為復(fù)雜，其中主要原因?yàn)槿~片裂紋發(fā)生部位在周期性為主的低頻交變動(dòng)應(yīng)力作用下，在殘余應(yīng)力助推下，在葉片結(jié)構(gòu)強(qiáng)度最薄弱處首先產(chǎn)生微裂紋，然后擴(kuò)展形成穿透裂紋。間接原因?yàn)槿~片進(jìn)出水邊設(shè)計(jì)制造的強(qiáng)度不足，焊接存在殘余應(yīng)力，水輪機(jī)不利運(yùn)行工況等;因此對作用于葉片部位的動(dòng)應(yīng)力進(jìn)行CFD計(jì)算數(shù)值分析計(jì)算，得出各工況下的動(dòng)應(yīng)力數(shù)值;再與設(shè)計(jì)許用應(yīng)力值比較，便可獲得裂紋產(chǎn)生力學(xué)原因，繼而采取相應(yīng)的控制措施消除裂紋損害。

1 動(dòng)應(yīng)力研究的選取方法

水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪動(dòng)應(yīng)力研究主要有理論研究、真機(jī)測量、數(shù)值模擬仿真;真機(jī)運(yùn)行中水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪是在周期旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的，靜應(yīng)力分析不能分析整個(gè)動(dòng)態(tài)的過程，也不能準(zhǔn)確的計(jì)算出轉(zhuǎn)輪在實(shí)際運(yùn)行中應(yīng)力情況，所以必須進(jìn)行轉(zhuǎn)輪的動(dòng)應(yīng)力數(shù)值計(jì)算或測量。傳統(tǒng)葉片的動(dòng)應(yīng)力數(shù)值獲得方法有應(yīng)力實(shí)測，但在真機(jī)實(shí)測時(shí)較為復(fù)雜，需將應(yīng)力片固定于葉片的適當(dāng)位置，采用有線或無線傳送，在各工況運(yùn)行時(shí)進(jìn)行采集，工程上實(shí)現(xiàn)較為困難;而采用成熟的CFD分析預(yù)測技術(shù)，即根據(jù)定常和非定常流動(dòng)分析結(jié)果，本項(xiàng)目采用對該水輪機(jī)按水頭、出力、流量組合的12個(gè)典型工況進(jìn)行了動(dòng)應(yīng)力分析。

1.1計(jì)算模型如下：

1.2葉片相關(guān)材料及約束

2#轉(zhuǎn)輪葉片為研究對象，進(jìn)行葉片模態(tài)分析。該轉(zhuǎn)輪的主要參數(shù)如下：

為了使所建葉片模型能與結(jié)構(gòu)的安裝、固定以及在各種工況下的受力情況相符，需要對葉片的邊界進(jìn)行處理。在求解過程中處理葉片位移約束時(shí)，因?yàn)槠鋬蓚€(gè)端面與上冠和下環(huán)是通過焊接連接的，所以采用全約束作用在兩個(gè)端面上，即ux = uy=uz，力的約束主要有重力約束，葉片彈性模量E為 210GPa，泊松比μ 為 0.3。

1.3動(dòng)水壓力載荷的施加

葉片表面壓力隨時(shí)間發(fā)生變化，動(dòng)水壓力載荷按照以下步驟進(jìn)行：

（l） 根據(jù)非定常流動(dòng)分析的結(jié)果，取出各時(shí)刻有限元模型上葉片表面各節(jié)點(diǎn)處的水壓力值，進(jìn)行處理后建立各時(shí)刻水壓力載荷文件。

（2） 在有限元前處理文件中，建立水壓力載荷數(shù)組，通過各時(shí)刻水壓力載荷文件給水壓力載荷數(shù)組賦值。

（3） 在不同時(shí)刻，將葉片壓力加載至計(jì)算網(wǎng)個(gè)節(jié)點(diǎn)上，并寫入時(shí)間載荷步文件。

受限于計(jì)算機(jī)容量，設(shè)定葉片幾何模型的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為90773 個(gè)，計(jì)算了一個(gè)轉(zhuǎn)輪周期內(nèi)轉(zhuǎn)輪動(dòng)應(yīng)力的變化 ，轉(zhuǎn)輪的轉(zhuǎn)速為136.4r/min，轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)周期為0.44s，與非定常流場計(jì)算相對應(yīng)，對轉(zhuǎn)輪的瞬態(tài)動(dòng)力分析也采用每個(gè)周期分為120個(gè)時(shí)間步，然后計(jì)算出每一步的時(shí)間步長為=0.003366569s。

2 計(jì)算結(jié)果分析

圖2-1列出了最低水頭下工況（II，H49_Q105_P45MW）一個(gè)周期內(nèi)不同時(shí)刻轉(zhuǎn)輪葉片的最大等效應(yīng)力云圖。從圖中可以看到轉(zhuǎn)輪中應(yīng)力集中的部位主要在葉片進(jìn)出口與轉(zhuǎn)輪上冠和下環(huán)的連接處。其余工況情況類似。在實(shí)際的電站運(yùn)行中，也基本都是這些部位附近最先受到破壞。與葉片頭部相比葉片尾部更薄一下，剛度較差更容易受到破壞。因此在葉片進(jìn)出口與轉(zhuǎn)輪上冠和下環(huán)的連接處設(shè)置了4個(gè)跟蹤點(diǎn)，分析這4個(gè)點(diǎn)應(yīng)力值隨時(shí)間的變化規(guī)律。

圖 2-2到2-3 為不同水頭不同出力工況下轉(zhuǎn)輪葉片危險(xiǎn)部位一個(gè)轉(zhuǎn)輪周期內(nèi)的應(yīng)力時(shí)間歷程。限于篇幅，每個(gè)水頭僅列出2個(gè)工況點(diǎn)計(jì)算結(jié)果。從圖中可以看出，各點(diǎn)動(dòng)應(yīng)力的變化規(guī)律基本相似，只是波動(dòng)幅度不一致，同時(shí)我們還可以發(fā)現(xiàn)，四個(gè)危險(xiǎn)部位中動(dòng)應(yīng)力最大值均出現(xiàn)在葉片出水邊也上冠的連接處，其次是葉出進(jìn)出水邊與下環(huán)的連接處，動(dòng)應(yīng)力最小值在葉片進(jìn)口與上冠的連接處 。

由于最大應(yīng)力值發(fā)生在轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)口與上冠連接處，圖2-4為不同工況下最大應(yīng)力點(diǎn)附近應(yīng)力分布的變化圖，表2-6給出了各工況下動(dòng)應(yīng)力最大值。

由上表可知，動(dòng)應(yīng)力的最大值都出現(xiàn)在相應(yīng)水頭條件下的低負(fù)荷渦帶工況區(qū)。在額定水頭下，工況IV下的動(dòng)應(yīng)力值最大，為164.3 MPa，在最大水頭下，工況IV下的動(dòng)應(yīng)力值最大，為168.8 MPa，在最小水頭下，工況III下的動(dòng)應(yīng)力值最大，為170.3 MPa。

圖2-3到2-5是各個(gè)工況轉(zhuǎn)輪危險(xiǎn)部位動(dòng)應(yīng)力經(jīng)過FFT分析的頻譜圖。而圖中顯示，額定水頭條件下，工況II的動(dòng)應(yīng)力主頻包括8.53Hz，19.18 Hz，29.84Hz分別為轉(zhuǎn)輪主頻的4倍，8倍和葉倍頻，工況III的動(dòng)應(yīng)力主頻包括8.53Hz，21.32Hz，29.84Hz分別為轉(zhuǎn)輪主頻的4倍，8倍和1倍葉倍頻，工況IV的動(dòng)應(yīng)力主頻包括8.53Hz，21.32Hz，29.84Hz分別為轉(zhuǎn)輪主頻的4倍，8倍和1倍葉倍頻。同樣分析其它水頭部分負(fù)荷工況下的計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，葉片出水邊與上冠連接處的動(dòng)應(yīng)力頻率都包含29.84Hz的一倍葉倍頻，如果水輪機(jī)長期在低負(fù)荷工況下運(yùn)行，葉片出水邊和上冠連接處在轉(zhuǎn)輪運(yùn)行過程中要承受交變的動(dòng)應(yīng)力，而且葉片出水邊較薄，剛度較低，因而也更容易發(fā)生疲勞破壞。

對單個(gè)葉片和整個(gè)轉(zhuǎn)輪分別作模態(tài)分析，在流場計(jì)算的基礎(chǔ)上，對單個(gè)葉片和整體轉(zhuǎn)輪和進(jìn)行了靜應(yīng)力分析，得出葉片出水邊是葉片振動(dòng)敏感區(qū)域，1-10 階振型最大位移皆發(fā)生在葉片出水邊位置。對2#水輪機(jī)在不同工況下的轉(zhuǎn)輪進(jìn)行了瞬態(tài)動(dòng)應(yīng)力分析。主要結(jié)論如下：

（1） 轉(zhuǎn)輪在流場壓力作用下，存在四個(gè)應(yīng)力集中區(qū)，因葉片進(jìn)水邊與上冠及下環(huán)連接處因葉片較厚，強(qiáng)度基本不影響，但在葉片出水邊與上冠連接處，葉片出水邊和下環(huán)連接處的應(yīng)力影響極大，這些區(qū)域葉片較薄，與實(shí)際電站中轉(zhuǎn)輪葉片發(fā)生裂紋的部位一致，這些區(qū)域?qū)C(jī)組振動(dòng)反應(yīng)最為敏感。當(dāng)這幾個(gè)區(qū)域的動(dòng)應(yīng)力較大時(shí)，葉片極容易發(fā)生裂紋問題。

（2） 本次計(jì)算最大應(yīng)力點(diǎn)出現(xiàn)在葉片出水邊與上冠連接點(diǎn)，最大動(dòng)應(yīng)力值為170.3MPa它發(fā)生的頻率包含29.84Hz的葉倍頻，由于葉片出水邊葉片較薄，剛度較低，因而更容易發(fā)生疲勞破壞。

3結(jié)論

由表2-6計(jì)算結(jié)論可知，有3個(gè)工況點(diǎn)最大動(dòng)應(yīng)力值超過160 MPa，超過了材料的許用應(yīng)力206.7 MPa的75%，極易引起葉片的疲勞破壞。

4改善和消除裂紋發(fā)生的控制措施

（1）加強(qiáng)轉(zhuǎn)輪葉片修復(fù)中焊接質(zhì)量的監(jiān)督管理，嚴(yán)格按焊接工藝方案作業(yè)，確保焊接修復(fù)的質(zhì)量。修復(fù)葉片時(shí)，適當(dāng)加厚焊接區(qū)域葉片出水邊的厚度。

（2）對葉片進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，在葉片出水邊加焊三角塊增加強(qiáng)度。

（3）在試驗(yàn)及計(jì)算基礎(chǔ)上，改善補(bǔ)氣裝置，消除葉道渦和渦帶引起的水力振動(dòng)等不利工況對誘發(fā)裂紋產(chǎn)生的不利因數(shù)。

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作者簡介：劉國章（1971.01.27—），性別：男。籍貫：江蘇泰州;民族;漢。學(xué)歷大專;職稱：工程師 職務(wù)：副主任，研究方向：水能動(dòng)力。