某E232型双级烟气轮机二级动叶片应力及模态分析

2014-03-01林国庆吕忠胜于文鑫

吉林化工学院学报 2014年9期

林国庆，吕忠胜，王皓，于文鑫，章磊

(1.吉林化工学院机电工程学院，吉林吉林132022;2.睿能(四平)北方能源技术有限公司，吉林四平136001;3.中国石油吉林石化公司乙二醇厂，吉林吉林132022;4.中石油云南石化有限公司生产三部，云南昆明650000)

某厂催化裂化装置车间烟机类型为E232型双级烟气轮机，于1987年11月投入使用，目前仍处于在线服役状态，至今已运行20余年.因烟机本身故障引起的最近一次停机为2012年10月，在运行期间，振动幅度突然增大，运行声音异常，系统连锁停机，停机后解体发现二级动叶片自根部发生断裂，断裂叶片叶身飞出，叶根仍在轮盘上，烟机围带、壳体及其中一幅板不同程度地被击伤.

为查明叶片断裂原因，对发生断裂的烟机二级动叶片采取数值模拟的方式进行应力［1］及模态分析，在此基础上找到烟机叶片应力最大值发生的部位及固有频率和阵型，避免再次发生类似事故.

1 叶片性能参数介绍

叶片材质为GH738的镍基高温合金，此合金的法国牌号为NC20K14，美国牌号为Waspaloy，国内牌号为GH864，其拉伸性能如表1所示.该合金［2］具有良好的强度、韧性、耐热性及耐蚀性.叶片工作温度650℃，材料密度为8.22 g/cm3，工作温度下弹性模量为178 GPa，泊松比为0.3，计算采用的烟机转子转速为6 380 r/min，二级静叶片数60，每一级均有63片动叶片，且形状分布规则.

表1 GH738材料拉伸性能

2 烟机叶片应力分析

2.1 叶片有限元模型的建立

由于叶片—轮盘组件的几何形状和所承受的载荷具有对称性，故将轮盘简化为一个轴对称体结构进行强度分析，只建立其中的一个模型进行分析就可以近似的等价于对整个叶片—轮盘组件进行了分析.为了分析的方便，首先对叶片、轮盘模型忽略了一些细节，去掉影响不大的特征，创建叶片、轮盘模型，采用映射划分网格的方法进行网格划分.

在选择单元类型时，单元类型为solid 92 10节点4面体单元，因为榫头与轮盘之间有接触，所以此时要考虑接触非线性带来的影响，该单元可以模拟形状不规则的二次位移模式，同时选用TARGE170和CONTA174单元，整个模型共分为25591个单元，38735个节点.

2.2 施加叶片工作载荷及约束条件

在对叶片进行应力应变分析和模态分析时，由气流冲击产生的气动载荷可认为是一常数.作用在叶片上的主要载荷是叶片-轮盘组件在旋转时产生的离心力，力的大小与它的角速度有关，离心力可以通过对叶片模型施加角速度来模拟，其角速度大小为667.77 rad/s，可由该厂烟机叶片相关的图纸数据获得.

对叶片施加约束时，叶片根部与榫槽接触，通过创建接触对来施加接触约束，因为叶片榫槽端面有挡圈，本文虽然简化了模型，但是通过使用对叶片榫槽端面限制轴线方向的移动自由度的方法，其作用是类似的.

2.3 烟机叶片应力应变结果及分析

利用前面建立的有限元模型，在ANSYS 12.0 Workbench软件［3］中进行应力应变分析后，得到二级动叶片的吸力面和压力面以及榫槽接触部位的应力应变分布，分别如图1和2所示.

图1 二级动叶片吸力面应力应变分布图

图2 二级动叶片压力面应力应变分布图

从以上计算结果不难发现:除轮盘以外，叶片榫齿根部的应力分布最大，在叶身部分应力最大位置发生在叶片吸力面根部和压力面叶背部，其中冲蚀较严重的部位是吸力面根部前侧和压力面出气端，发生疲劳破坏和叶片断裂的可能性较大，容易受到损伤，与前面介绍的情况一致;从图中可以明显的看出，叶片压力面的应力水平明显大于吸力面，这也正是叶片压力面比吸力面容易断裂的原因，从而验证了有限元法分析的准确.

最大应力、应变点位于叶片出气边位置，根据ANSYS软件计算结果的应力应变图，如图1、图2所示，得到烟机二级动叶片的最大应力值为571.69 MPa，最大应变为 2.858 5 ×10－3mm，榫齿与轮盘接触部位最大等效应力值为25 4.85 MPa.

3 叶片模态分析

叶片事故在烟机故障中占有一定的比例，在这些叶片事故中，大多数是由疲劳裂纹引起的，而共振是引起疲劳裂纹的主要因素［4］，叶片一旦发生共振，在较短时间内就可产生疲劳裂纹，因截面面积减小承受不了离心力和气流力的载荷而被拉断，此时不能及时停机，使破碎的叶片对其他叶片造成撞击，然后被撞击的叶片形状发生改变最后导致叶片断裂.转子因此失去平衡而发生强烈振动，引起了更严重的事故，因此，叶片在工作过程中，为防止叶片发生疲劳破坏而影响叶片的安全运行，应尽量使叶片的激振力频率避开它的自振频率，避免发生共振.为此必须对引起叶片共振的激振力、叶片的自振频率以及避免共振的条件等问题加以研究.

3.1 叶片低频激振力的计算

使叶片发生振动的周期性外力称为激振力，按频率的高低也有低频和高频之分.在烟机的轮盘上，个别地方的气流方向或大小可能异常，叶片每转到此处，其受力就变化一次，此时形成的激振力称为低频激振力，结构上的原因是形成低频激振力的主要原因［5］.

若一级中有个激振源［6］，则此时激振力的频率变为:

式中:n为转子转速，r/s;T为激振力的周期，s;w为激振力的圆频率，rad/s.由此可见，能够引起叶片共振的低频激振力的频率fd恰好为转子转速的 i倍(i=1，2，3，…，n)，因此在调试叶片的频率时应当注意.

本文中，转子转速为6380RPM，假设一级中只有一个激振源，则根据公式(1)任意叶片的低频激振力为 fd=106.33 Hz.

3.2 叶片高频激振力的计算

受出气边厚度的影响，使静叶片出气边尾迹

通常一级的静叶数为z=40～80，n=50 r/s，则激振力的频率范围为fg=2000～4000 Hz，因此这类激振力叫做高频激振力.

本文计算采用的烟机转子转速为6 380 r/min，二级静叶片数60，根据公式(2)计算得到烟机二级动叶片的高频激振力为6 380 Hz.

3.3 叶片模态结果分析

ANSYS提供了多种模态分析方法［7］，目前因Block Lanczos法求解精度高、计算速度快等优点而被广泛应用在求解大型特征值问题，本文也是通过其中的Block Lanczos法来实现叶片的动态特性模拟.在进行模态分析时利用ANSYS软件自带的创建接触对和施加周期对称的约束来模拟叶片与轮盘的接触情况，使计算的叶片动频率及阵型更接近实际，通过分析获得该烟机二级动叶片前十阶动频率，见表2.处的气流参数分布不均匀，导致形成的气流场不均匀，动叶片在流经此不均匀的气流场时，作用在叶片上的力会突然的增大与减小，整个过程是在瞬间发生的，如此反复，动叶片每次流经静叶流道时，所受的气流力都会发生变动，也就经历了一次激振力的作用.假设整圈静叶数目为一级，在全周进气时，叶片单位时间内的激振次数即激振频率为:

表2 二级动叶片前十阶固有频率

将表2与前面介绍的激振力分析对比可以发现，根据理论公式计算得到的高频激振力(6 380 Hz)远大于用有限元软件模态分析时得到的最大固有频率，本文并未计算到如此高阶的频率，这是一个模态截断的问题.所以可以初步得到结论:高频激振力对叶片影响不大，影响较大的主要是低频激振力，例如之前计算叶片的低频激振力为106.33 Hz，接近二级动叶片的第四阶动频率ω4，故低频激振力对叶片的威胁较大.